Технология
электрической
сварки
металлов и сплавов
плавлением
Под редакцией
академика
Б. Е. ПАТОНА
Москва
«МАШИНОСТРОЕНИЕ»
1974
6П4.3
Т38
УДК 621.791.7
Технология электрической сварки металлов и спла-
вов плавлением. Под ред. акад Б. Е. Патона М.,
«Машиностроение», 1974. 768 с.
В книге приведены классификация сварочных про-
цессов и сравнительная характеристика различных
способов сварки. Рассмотрены вопросы сваривае-
мости основного металла и причины возникновения
дефектов в сварных соединениях. Даны сведения о сва-
рочных материалах, оборудовании и режимах, приме-
няемых при сварке и наплавке разнообразных кон-
струкций из углеродистых, низколегированных и
легированных сталей, легких металлов и сплавов
Даны сведения о способах неразрушающего контроля
качества сварных соединений
Книга предназначена для научных и инженерно-
технических работников предприятий и научно-иссле-
довательских организаций 171 табл.; 442 ил.; список
лит 35 назв.
31206-060
Т 038 (01 )-74 06°-74
© Издательство «Машиностроение», 1974 Г.
В предлагаемой вниманию читателей книге рассмот-
рен один из наиболее актуальных вопросов свароч-
ной науки и техники — технология электрической
сварки металлов и сплавов плавлением.
В работе над книгой участвовало более тридцати
специалистов, что обусловлено широким кругом рас-
сматриваемых вопросов.
Книгу подготовили сотрудники Института элек-
тросварки имени Е. О. Патона АН УССР:
§ 1-1, 1-2, 2-7 —2-8, 3-1—3-4, 5-1—5-6, 6-1, 6-6 и
12-3 канд. техн, наук С. А. Островская;
§ 1-3 — акад. Б. Е. Патон;
§ 2-1	—	д-р техн, наук Г.	И. Лесков;
§ 2-2	и	3-5 — д-р техн, наук Г.	3.	Волошкевич;
§ 2-3	и	3-6 — канд. техн,	наук	О.	К.	Назаренко;
§ 2-4	и	3-7 — канд. техн,	наук	В.	П.	Гаращук	и
инж. О. А. Величко;
§ 2-5 — канд. техн, наук В. И. Махненко;
§ 2-6 и 7-3 —член.-корр. АН УССР И. К. Походня
и канд. техн, наук И. Р. Явдощин;
§ 2-9, 6-5, 7-1, 7-4 и 7-5 — д-р техн, наук В. В. Под-
гаецкий (часть § 7-4 «Флюсы для сварки вы-
соколегированных сталей и сплавов» — акад.
АН УССР Б. И. Медовар и канд. техн, наук
Д. В. Чекотило;
§ 4-1, 4-4—4-6 — д-р техн, наук А. Е. Аснис;
§ 4-2 и 4-3 — д-р техн, наук А. Е. Аснис и канд.
техн, наук С. А. Островская (часть § 4-3 «Опре-
деление стойкости металла против перехода
в хрупкое состояние» — канд. техн, наук
В. В. Шеверницкий);
3
§ 6-2 и 6-4 — канд. техн, наук С. А. Островская
и д-р техн, наук В. В. Подгаецкий;
§ 6-3 и 10-3 — 10-7 — член.-корр. АН УССР
А. М. Макара;
§ 6-7 — канд. техн, наук Г. В. Жемчужников, ин-
женеры Э. В. Котенко и А. В. Бабаев;
§ 7-2 — член.-корр. АН УССР И. К. Походня и
канд. техн, наук А. М. Суптель;
§ 8-1 и 8-11 — акад. Б. Е. Патон и канд. техн, наук
М. Г. Бельфор;
§ 9-1, 9-2, 10-1 и 10-2 — канд. техн, наук С. Л. Ман-
дел ьберг;
§ 9-3 — канд. техн, наук Т. М. Слуцкая;
§ 9-4 — д-р техн, наук Ю. А. Стеренбоген;
§ 10-8—10-11 — акад. АН УССР Б. И. Медовар
и канд. техн, наук Л. В. Чекотило;
§ 10-12 — канд. техн, наук — Ю. Н. Готальский;
§ 11-1 —11-8 — доктора техн, наук С. М. Гуревич
и Д. М. Рабкин;
§ 12-1 — акад. АН УССР К- К. Хренов;
§ 12-2 — канд. техн, наук — В. Ф. Лапчинский;
§ 13-1—13-5 — канд. техн, наук Ю. А. Юзвенко;
§ 14-1—14-3 — инж. В. А. Цечаль.
Введение
Сварка —• один из наиболее широко распространен-
ных технологических процессов. К сварке относятся
собственно сварка, наплавка, сваркопайка, сварка,
склеивание, пайка, напыление и некоторые другие
операции.
С помощью сварки соединяют между собой раз-
личные металлы, их сплавы, некоторые керамиче-
ские материалы, пластмассы, стекла и разнород-
ные материалы. Основное применение находит сварка
металлов и их сплавов при сооружении новых кон-
струкций, ремонте различных изделий, машин и
механизмов, создании двухслойных материалов. Сва-
ривать можно металлы любой толщины. Прочность
сварного соединения в большинстве случаев не усту-
пает прочности целого металла.
Сварку можно выполнять на земле и под водой
в любых пространственных положениях. Возмож-
ность выполнения сварки в космосе была доказана
советскими летчиками-космонавтами Т. С. Шониным
и В. Н. Кубасовым. На борту космического корабля
«Союз-6» они впервые осуществили сварку корро-
зионностойкой стали и титанового сплава в усло-
виях космического вакуума и невесомости.
Соединение при сварке достигается за счет воз-
никновения атомно-молекулярных связей между эле-
ментарными частицами соединяемых тел. Сближению
атомов мешают неровности поверхностей в местах,
где намечено осуществить соединение деталей, и
наличие на них загрязнений в виде окислов, органи-
ческих пленок и адсорбированных газов.
В зависимости от методов, примененных для
устранения причин, мешающих достижению проч-
ного соединения, все существующие разновидности
сварки (а их насчитывается около 70) можно отнести
б
к трем основным группам —• сварка давлением (сварка в твер-
дом состоянии), сварка плавлением (сварка в жидком со-
стоянии) и сварка плавлением и давлением (сварка в жидко-
твердом состоянии).
При сварке плавлением соединение деталей достигается путем
локального расплавления металла свариваемых элементов —
основного металла — по кромкам в месте их соприкосновения
или основного и дополнительного металлов и смачивания твер-
дого металла жидким. Расплавленный основной или основной
и дополнительный металлы самопроизвольно (спонтанно) без
приложения внешнего усилия сливаются, образуя общую так
называемую сварочную ванну. По мере удаления источника
нагрева происходит затвердевание—кристаллизация металла
сварочной ванны и формирование шва, соединяющего детали
в одно целое. Металл шва при всех видах сварки плавлением
имеет литую структуру.
Для расплавления металла используют мощные источники
нагрева. В зависимости от характера источника теплоты разли-
чают электрическую и химическую сварку плавлением: при элек-
трической сварке начальным источником теплоты служит элек-
трический ток, при химической в качестве источника теплоты
используют экзотермическую реакцию горения газов (газовая
сварка) или порошкообразной горючей смеси (термитная
сварка).
В данной книге освещены вопросы, касающиеся только элек-
трической сварки плавлением металлов и их сплавов.
Впервые мысль о возможности практического применения
«электрических искр» для плавления металлов высказал в 1753 г.
академик Российской Академии наук Г. Р. Рихман, выполнивший
ряд исследований атмосферного электричества. Практической
проверке такого мнения способствовало создание итальянским
ученым А. Вольта гальванического элемента (вольтова столба).
В 1802 г. профессор Санкт-Петербургской военно-хирургической
академии В. В. Петров, используя мощный гальванический эле-
мент, открыл явление электрической дуги. Он также указал
возможные области ее практического применения. Независимо
от В. В. Петрова, но несколько позже (1809 г.), электрическую
дугу получил английский физик Г. Деви.
Для практического осуществления электрической сварки ме-
таллов потребовались многие годы совместных усилий физиков
и техников, направленных на создание электрических генерато-
ров. Важную роль сыграли открытия и изобретения в области
магнетизма и электричества.
Первые электромагнитные генераторы были созданы в 70-х
годах XIX в. До этого имели место лишь отдельные попытки
осуществления электрической сварки металлов с помощью галь-
ванических элементов. Так, в 1849 г. американец К. Стэт по-
лучил английский патент на соединение металлов с помощью
6
электричества. Однако этот патент не был реализован на прак-
тике. Глубокая разработка вопросов электрической сварки метал-
лов началась позже.
В 1882 г. русский изобретатель Н. Н. Бенардос предложил
способ прочного соединения и разъединения металлов непосред-
ственным действием электрического тока. Он практически осуще-
ствил способы сварки и резки металлов электрической дугой
угольным электродом. Ему также принадлежит много других
важных изобретений в области сварки (спиральношовные трубы,
порошковая проволока и др.). Электрическая дуговая сварка
получила дальнейшее развитие в работах Н. Г. Славянова. В спо-
собе Н. Г. Славянова (1888 г.) в отличие от способа Н. Н. Бенар-
доса металлический стержень одновременно является и электродом,
и присадочным металлом. Н. Г. Славянов разработал технологи-
ческие и металлургические основы электродуговой сварки. Он
применил флюс для защиты металла сварочной ванны от воздуха,
предложил способы наплавки и горячей сварки чугуна, органи-
зовал первый в мире электросварочный цех. Н. Н. Бенардос и
Н. Г. Славянов положили начало автоматизации сварочных про-
цессов, создав первые устройства для механизированной подачи
электрода в дугу.
Дальнейшее развитие электрической дуговой сварки несколько
замедлилось в связи с конкуренцией газовой сварки кислородно-
ацетиленовым пламенем. В начале XX в. этот способ обеспечивал
более высокое качество сварных швов, чем дуговая сварка голым
электродом.
Положение изменилось, когда в 1907 г. шведский инженер
О. Кьельберг применил металлические электроды с нанесенным
на их поверхность покрытием. Это покрытие предохраняло металл
шва от вредного воздействия воздуха (окисления и азотирования)
и стабилизировало горение дуги. Применение покрытых электродов
обеспечило резкое повышение качества сварных соединений.
Ручная электродуговая сварка плавящимся электродом начала
широко применяться на заводах США, Англии, Австро-Венгрии
и других стран.
Отсталая промышленность дореволюционной России так и не
смогла в должном объеме использовать дуговую сварку. Про-
мышленное применение этого вида сварки в нашей стране началось
только после победы Великой Октябрьской социалистической
революции. Уже в начале 20-х годов под руководством В. П. Во-
логдина были изготовлены сварные котлы, а несколько позже —
суда и другие ответственные конструкции. В конце первой
четверти XX в. ручная дуговая сварка плавящимся электро-
дом стала основным способом сварки в нашей стране и во всем
мире.
Все время развиваясь и совершенствуясь, ручная дуговая
сварка не утратила своего ведущего положения и в настоящее
время.
7
Освоена сварка специальных сталей, цветных и легких метал-
лов и других материалов, и для этих условий достигнута рав-
нопрочность сварного соединения с основным металлом.
Наряду с внедрением и совершенствованием ручной дуговой
сварки во всех странах проведены работы по изысканию новых
способов защиты зоны дуги от окружающего воздуха и по меха-
низации основных сварочных операций. Уже в начале 20-х годов
в различных странах были созданы специальные механизмы —
автоматы для сварки и наплавки плавящимся электродом с на-
носимыми на их поверхность или вводимыми внутрь стержня
специальными веществами или же с окружающей дугу газовой
защитой.
Однако эти автоматы не получили промышленного применения,
так как обеспечивали лишь небольшое повышение производитель-
ности труда по сравнению с ручной сваркой.
Новый этап в развитии механизированной дуговой сварки
в нашей стране начался в конце 30-х годов, когда на основе идей,
выдвинутых еще Н. Г. Славяновым, коллективом Института
электросварки АН УССР под руководством академика АН УССР
Евгения Оскаровича Патона был разработан новый способ сварки,
получивший название — автоматическая сварка под флюсом.
В середине 40-х годов сварка под флюсом была применена и для
полуавтоматического процесса.
Сварка под флюсом за счет увеличения мощности сварочной
дуги и надежной изоляции плавильного пространства от окружа-
ющего воздуха позволяет резко повысить производительность
процесса, обеспечить стабильность качества сварного соединения,
улучшить условия труда и получить значительную экономию
материалов, электроэнергии и средств.
Высокое качество сварного соединения и равнопрочность его
с основным металлом предопределяют применение сварки под
флюсом при изготовлении конструкций и аппаратуры, работаю-
щих в условиях глубокого холода, высоких температур, сверх-
высоких давлений, агрессивных жидких и газовых сред и ней-
тронного излучения. Способ используют для соединения боль-
шинства находящих промышленное применение металлов и
сплавов.
Особенно широко сварка под флюсом применяется в Совет-
ском Союзе, который по техническому уровню развития и по
глубине научной разработки основ этого способа сварки зани-
мает ведущее положение. Возможности автоматической сварки
под флюсом еще далеко не исчерпаны, и,можно ожидать даль-
нейшего ее развития и совершенствования.
Способ сварки под флюсом за рубежом впервые появился
в США (фирма Линде). Пути развития этого способа в зарубежных
странах несколько отличались от отечественных. Различие в основ-
ном заключалось в конструкциях сварочных установок и в при-
меняемых сварочных материалах.
8
В конце 40-х годов получил промышленное применение способ
дуговой сварки в защитных газах. Газ для защиты зоны сварки
впервые использовал американский ученый А. Александер еще
в 1928 г. Однако в те годы этот способ сварки не нашел серьезного
промышленного применения из-за сложности получения защит-
ных газов. Положение изменилось после того как для защиты
были использованы пригодные для массового применения газы
(гелий и аргон в США, углекислый газ в СССР) и различные
смеси газов.
Сварку неплавящимся (угольным) электродом в углекислом
газе впервые осуществил Н. Г. Остапенко. Затем усилиями кол-
лективов ЦНИИТМАШа, Института электросварки им. Е. О. Па-
тона и ряда промышленных предприятий был разработан способ
дуговой сварки в углекислом газе плавящимся электродом.
Использование дешевых защитных газов, улучшение качества
сварки и повышение производительности процесса обеспечили
широкое применение этого способа главным образом при полу-
автоматической сварке различных конструкций. Объем приме-
нения полуавтоматической сварки в защитных газах из года в год
возрастает. Ее широко используют вместо ручной сварки покры-
тыми электродами и полуавтоматической сварки под флюсом.
Для полуавтоматической сварки находят применение также по-
рошковая и активированная проволоки, не требующие дополни-
тельной защиты. Интенсивные работы ведутся по исследованию
и промышленному применению разновидности дугового процес-
са — так называемой сварки сжатой (плазменной) дугой.
Серьезным достижением отечественной сварочной техники
явилась разработка в 1949 г. принципиально нового вида элек-
трической сварки плавлением, получившего название электро-
шлаковой сварки. Электрошлаковая сварка разработана сотруд-
никами Института электросварки им. Е. О Патона в содружестве
с работниками заводов тяжелого машиностроения. Разработка
этого вида сварки позволила успешно решить весьма важные
для дальнейшего развития промышленности вопросы качествен-
ной и производительной сварки металла практически неограни-
ченной толщины и механизации сварки вертикальных швов.
На основе электрошлакового процесса в Советском Союзе
создан новый способ рафинирования металла, получивший назва-
ние электрошлакового переплава.
Развитие сварочной техники неразрывно связано с изыска-
нием новых источников теплоты для плавления металла. Одним
из таких источников является концентрированный поток электро-
нов в вакууме, на основе которого в конце 50-х годов француз-
скими учеными был создан новый вид сварки, получивший на-
звание электроннолучевого процесса. Электроннолучевая сварка
находит достаточно широкое практическое применение при со-
единении тугоплавких химических активных металлов и сплавов
и ряда специальных сталей.
§
В последнее десятилетие для сварки начали применять опти-
ческие квантовые генераторы —• лазеры. В ближайшие годы можно
ожидать дальнейших серьезных успехов в развитии и промышлен-
ном применении лучевых сварочных процессов.
Электрическая сварка плавлением достигла высокого уровня
развития и стала ведущим технологическим процессом, позволя-
ющим создавать рациональные конструкции для всех без исклю-
чения отраслей промышленности из любых практически приме-
няющихся металлов и сплавов различной толщины. Технология
электрической сварки плавлением строится на серьезной научной
основе, использующей и обобщающей огромный опыт ученых,
работников производства и научных коллективов — представи-
телей различных стран и различных научных школ и направлений.
Большой вклад в развитие научных основ технологии элек-
трической сварки металлов и сплавов плавлением внесли совет-
ские ученые в области сварки. К ним принадлежат созданный
Е. О. Патоном коллектив Института электросварки им. Е. О. Па-
тона, коллективы: МВТУ им. Н. Э. Баумана, ИМЕТа им.
А. А. Байкова, ЦНИИТМАШа, ВНИИАВТОГЕНМАШа, ленин-
градская школа сварщиков, а также многочисленные кафедры
сварки технических вузов страны.
Значительные успехи, достигнутые в развитии электрической
сварки плавлением в нашей стране, стали возможными благодаря
огромному вниманию, которое Коммунистическая партия и Со-
ветское правительство уделяли и уделяют этому вопросу.
Е. О. ПАТОНА
1
Общие сведения
об электрической
сварке плавлением
§ 1-1. Схема процесса сварки
Сваркой называют технологический процесс полу-
чения неразъемных (сварных) соединений из метал-
лов, их сплавов и других материалов (пластмасс,
стекла) или разнородных материалов (стекла и ме-
талла и т. п.). В настоящей книге рассмотрены во-
просы, касающиеся только сварки металлов и их
сплавов.
Соединение, полученное при сварке, характе-
ризуется непрерывной структурной связью и моно-
литностью строения, достигаемыми за счет образо-
вания атомно-молекулярных связей между элемен-
тарными частицами сопрягаемых деталей. Для того
чтобы произошла сварка, нужно сблизить соединяе-
мые элементы на расстояние порядка величины атом-
ного радиуса (10"8 см). При этом между поверхност-
ными атомами твердых тел становится возможным
межатомное взаимодействие и происходит сопро-
вождаемое диффузией химическое взаимодействие.
Неразъемное монолитное соединение, образуемое
при сварке, называется сварным соединением.
При сварке плавлением под сварным соединением
понимают участок, включающий собственно шов,
металл зоны термического влияния и основной ме-
талл, не претерпевший под влиянием сварки никаких
изменений. Шов является литым сплавом основного
и дополнительного металлов, а зона термического
влияния представляет собой участок основного ме-
талла с измененными в результате сварки свойствами
(рис. 1-1).
Сваркой плавлением можно соединять практи-
чески все используемые для изготовления конструк-
ций металлы и сплавы любой толщины. Возможна
сварка разнородных металлов и сплавов.
11
Рис. 1-1. Сварное соединение
1 — металл шва 2 — металл
зоны термического влияния 3 —
основной металл
Рис. 1-2. Сварные швы
В процессе изготовления конструкции с использованием
сварки плавлением источник теплоты в большинстве случаев
передвигается вдоль свариваемого изделия, что позволяет сва-
ривать объекты с неограниченными размерами. Сварку плавле-
нием, в том числе и электрическую, ранее называли автоген-
ной — самопроизвольной сваркой. Затем этот термин начал при-
меняться для обозначения кислородно-ацетиленовой сварки.
Сейчас он почти не применяется.
При сварке плавлением металл в месте сварки доводится до
жидкого состояния. Локальное расплавление основного металла
осуществляется по кромкам соединяемых элементов. Сварка может
осуществляться только за счет расплавления основного металла
(рис 1-2, а) или за счет расплавления основного и дополнитель-
ного металлов (рис. 1-2, б). В практике преимущественное приме-
нение находит второй вариант. Расплавленные основной или
основной и дополнительный металлы самопроизвольно без при-
ложения внешних сил сливаются в общую сварочную ванну, сма-
чивающую оставшуюся твердой поверхность соединяемых элемен-
тов. При этом происходит сближение атомов металла сварочной
ванны и основного металла до расстояния, при котором возникают
атомно-молекулярные связи. В процессе расплавления металла
устраняются неровности поверхности, органические пленки, адсор-
бированные газы, окислы и другие загрязнения, мешающие сбли-
жению атомов. Межатомному сцеплению способствует повышен-
ная подвижность атомов, обусловленная высокой температурой
расплавленного металла.
По мере удаления источника нагрева жидкий металл остывает
и происходит его затвердевание — кристаллизация. Начинается
она от частично оплавленных зерен основного металла, что при-
водит к образованию общих кристаллитов. После завершения
кристаллизации сварочной ванны образуется монолитный, име-
ющий литую структуру шов, соединяющий в единое целое ранее
разобщенные детали.
В процессе сварки наблюдаются испарение и окисление неко-
торых элементов, поглощение и растворение жидкой ванной газов.
Происходят также изменения и в зоне термического влияния.
Эти процессы обусловливают отличие металла шва и зоны терми-
12
ческого влияния от основного металла. При сварке возникают
деформации конструкции и создается поле остаточных напряже-
ний, что может нарушить проектные ее размеры и форму и ска-
заться на прочности сварного соединения.
При сварке плавлением требуется локальный нагрев неболь-
шого участка металла, окруженного со всех сторон значительным
объемом холодного металла, до температуры, превосходящей
температуру его плавления. Это приводит к необходимости ис-
пользования для электрической сварки большинства металлов
и сплавов источников нагрева, имеющих температуру не ниже
3000° С и тепловую мощность, достаточную для образования сва-
рочной ванны.
При электрической сварке плавлением источником нагрева
служит электрический ток. Наиболее широкое применение нахо-
дит электродуговая, электрошлаковая и электроннолучевая
сварка. В значительно меньшем объеме используется пока лазер-
ная сварка. Однако масштабы ее применения с каждым годом
увеличиваются.
При электрической дуговой сварке нагрев и плавление ме-
талла осуществляются энергией, выделяемой дуговым разрядом.
При электрошлаковой сварке необходимая для сварки теплота
получается при прохождении тока через шлаковую ванну, обра-
зуемую при расплавлении флюса. Нагрев и плавление металла
при электроннолучевой сварке достигаются за счет интенсивной
бомбардировки свариваемого металла быстродвижущимися элек-
тронами. При лазерной сварке необходимая для плавления ме-
талла теплота выделяется световым пучком, являющимся весьма
концентрированным источником теплоты.
В настоящее время ведущее положение среди различных видов
электрической сварки плавлением занимает электрическая дуго-
вая сварка. Возможности этого вида сварки еще далеко не исчер-
паны, и можно ожидать дальнейшего ее совершенствования и
развития.
К сварке плавлением относится и наплавка металлов, на-
шедшая широкое применение в промышленности. Наплавкой назы-
вают процесс нанесения слоя металла на доведенную до расплав-
ления поверхность изделия. Цель наплавки сводится к восста-
новлению размеров детали после износа, устранению дефектов
литья, поковок и проката или созданию на поверхности детали
слоя металла, обладающего особыми свойствами (стойкость против
износа или коррозии, жаропрочность и др.). В дальнейшем при
изложении общих вопросов под термином «сварка» мы будем
понимать как собственно сварку, т. е. соединение отдельных
деталей, так и наплавку.
Сварка — технологический процесс, широко применяемый во
всех отраслях народного хозяйства для изготовления новых и
ремонта эксплуатируемых конструкций и механизмов. Преиму-
щества сварных конструкций в настоящее время общепризнаны,
13
Такие конструкции повсеместно применяют взамен литых, кле-
паных и кованых изделий. Эти преимущества сводятся к уменьше-
нию расхода металла, снижению затрат труда, упрощению обо-
рудования, сокращению сроков изготовления и увеличению съема
продукции без увеличения производственных площадей. Значи-
тельно расширяются также возможности механизации основных
технологических операций. Однако все преимущества сварки могут
быть реализованы только при обеспечении необходимого качества
сварных соединений, гарантирующих длительную и надежную
работу их в условиях эксплуатации. Это достигается на основании
глубокого изучения вопросов технологии сварки и установления
связи ее с конструктивными формами и особенностями изготовляе-
мой продукции.
§ 1-2. Краткая характеристика основных
видов сварки
Электрическая дуговая сварка. При электрической дуговой
сварке, или коротко-дуговой сварке, нагрев и плавление
металла осуществляется дуговым разрядом, возникающим между
электродами. Энергию, необходимую для образования и поддер-
жания дугового разряда, получают от источников питания по-
стоянного или переменного тока. Широкое практическое при-
менение находит дуга прямого действия (рис. 1-3, а), горящая
между свариваемым металлом и специальным стержнем-электро-
дом. Для сварки используется теплота, выделяемая в столбе дуги
и на электродах.
Значительно меньшее применение находит дуга косвенного
действия, горящая между двумя стержнями-электродами. В этом
случае для расплавления основного металла, который не включен
в электрическую цепь, используется теплота, выделяемая при
соприкосновении свариваемой поверхности со столбом (плазмой)
дуги, и теплота, получаемая за счет излучения и конвекции.
Сварку дугой косвенного действия можно выполнять как с при-
садочным металлом, так и без него. Ограниченное применение
Рис. 1-3. Сварочные дуги
14
дуги косвенного действия обусловлено ее меньшей эффективно-
стью. Возможно использование комбинированной дуги, включен-
ной в сварочную цепь по схеме, приведенной на рис. 1-3, б, или
по трехфазной схеме (рис. 1-3, в). В этих случаях дуговой разряд
возникает между электродами и между электродами и основным
металлом.
Дуговую сварку можно выполнять неплавящимся и плавя-
щимся электродом. Сварку неплавящимся электродом осуще-
ствляют дугой прямого или косвенного действия. Шов образуется
за счет плавления основного металла или основного и присадоч-
ного металлов. Материал электрода не участвует в образовании
шва, к. п. д. дуги прямого действия достигает 0,3—0,4, к. п. д.
дуги косвенного действия — 0,2—0,3.
При сварке угольным электродом питание дуги, как правило,
осуществляется от источника постоянного тока при прямой поляр-
ности — электрод соединен с отрицательным, а основной металл
с положительным полюсом (зажимом) источника питания. Сварка
угольным электродом при обратной полярности (основной металл
соединяется с отрицательным, а электрод—с положительным
полюсом источника питания) не находит практического приме-
нения из-за перегрева электрода, а при сварке стали — также
из-за значительного науглероживания металла шва. При сварке
на прямой полярности науглероживание основного металла не
наблюдается. Сварку вольфрамовым электродом ведут на постоян-
ном токе при прямой полярности или на переменном токе с обя-
зательной защитой области дуги инертным газом, предохраня-
ющим электрод от окисления.
При сварке плавящимся электродом дуга горит между основ-
ным металлом и металлическим стержнем заданного химического
состава, подаваемым в зону дуги по мере плавления. В состав
шва входит расплавленный основной металл и металл плавя-
щегося электрода — электродный металл, а в некоторых случаях
еще и присадочный металл.
В качестве плавящегося электрода используют сварочную
(электродную) проволоку круглого сечения, порошковую про-
волоку, электродную ленту и специальные электроды более слож-
ной формы. Питание дуги осуществляется от источника перемен-
ного или постоянного тока при прямой либо обратной полярности.
В некоторых случаях (например, при сварке на больших скоро-
стях несколькими дугами) применяют комбинированное питание
от источников постоянного и переменного тока.
В зависимости от числа электродов различают сварку одним,
двумя и тремя электродами. Возможна сварка и большим числом
электродов. Сварку, при которой все электроды подсоединены
к одному полюсу источника питания, называют двухэлектродной
(многоэлектродной) сваркой, или сваркой сдвоенным (строенным)
электродом. Если каждый из электродов получает независи-
мое питание, процесс называют двухдуговым (многодуговым).
15
Сварка дугой прямого действия плавящимся электродом яв-
ляется основным видом электрической сварки плавлением, к. п. д.
дуги при этом способе достигает 0,7—0,9.
Сварку плавящимся электродом дугой прямого действия можно
осуществлять без присадочного металла (рис. 1-4, а) или с при-
садочным металлом. Присадочный металл подают в зону сварки
вручную или механизмом в виде проволоки, ленты и т. п.
(рис. 1-4, б) или вводят в разделку (зазор) между свариваемыми
кромками (рис. 1-4, в) в виде прутка, порошка, крошки, стружки,
окатышей и т. п.
Процесс сварки состоит из ряда последовательных операций,
в результате которых формируется шов. К этим операциям отно-
сятся возбуждение и поддержание дугового разряда, манипуляция
электродом для придания шву нужной формы и для направления
электрода по оси соединения, перемещение дуги вдоль сваривае-
мых кромок по мере формирования шва заданного сечения, пре-
кращение процесса. В зависимости от того, производятся ли ука-
занные операции вручную или при помощи механизмов, разли-
чают ручную полуавтоматическую и автоматическую сварку.
При ручной сварке все операции, необходимые для образова-
ния шва, выполняют вручную без применения механизмов; элек-
тродами длиной 250—450 мм — сварка плавящимся электродом,
или 200—300 мм — сварка неплавящимся электродом. Для под-
вода тока к электроду служит специальный держатель. В процессе
сварки держатель находится в руке сварщика.
При полуавтоматической сварке плавящимся электродом ме-
ханизирована операция подачи электрода в зону дуги, для чего
служит специальный подающий механизм. Манипуляции элек-
тродом, выполняемые для поддержания заданного режима, при-
дания шву нужной формы и перемещения дуги вдоль сваривае-
мых кромок, осуществляют вручную или при помощи простей-
шего механизма, приводимого в движение от руки. Сварку про-
Рис. 1-4. Сварка дугой прямого действия плавящимся электродом:
а — без присадочного металла,
б — с присадочным металлом, подаваемым в зону дуги в процессе сварки;
е — С присадочным металлом, вводимым между свариваемыми кромками
16
изводят сварочной проволокой сплошного сечения или порошко-
вой проволокой, подаваемыми из кассеты или непосредственно
из бухты. Для подвода тока к электроду служит держатель.
Сварочная проволока от подающего механизма к держателю
в большинстве случаев поступает по гибкому шлангу. Поэтому
полуавтоматическую сварку иногда называют шланговой.
При автоматической сварке операции по возбуждению и под-
держанию дугового разряда осуществляются сварочной головкой,
а перемещение дуги (по мере отложения шва заданного сечения)
вдоль свариваемых кромок — сварочной тележкой. Рабочий не
принимает непосредственного участия в образовании шва, а
управляет процессом сварки при помощи вспомогательных уст-
ройств (пульт управления, корректор). Автоматическая сварка
является не полностью автоматизированным, а лишь механизи-
рованным процессом. Однако термин «автоматическая» (и полу-
автоматическая) сварка общепринят в отечественной и иностран-
ной литературе.
Автоматическую сварку плавящимся электродом ведут в боль-
шинстве случаев сварочной проволокой сплошного сечения диа-
метром 1—6 мм. Проволока так же, как и при полуавтоматиче-
ской сварке, подается из специальной кассеты или из бухты.
Возможно применение порошковой проволоки и ленты. При авто-
матической сварке обеспечивается постоянство режима сварки
(сила тока, напряжение, скорость сварки и др.), что обусловливает
однородность качества шва по всей его длине. Автоматическая
сварка обладает меньшей мобильностью, чем полуавтоматическая
и ручная сварка, требует наличия специального оборудования
и большей точности подготовки и сборки деталей под сварку, так
как возможности изменения режима сварки на ходу в зависимо-
сти от колебания величины зазора, угла разделки кромок и т. п.
весьма ограничены.
При сварке неплавящимся электродом из-за малого расхода
электрода в процессе сварки нет необходимости в механизации
операции его подачи в зону дуги. Эту операцию легко осуще-
ствляют вручную. При полуавтоматической сварке механизирована
только операция передвижения дуги вдоль свариваемых кромок.
При дуговой сварке происходит энергичное взаимодействие
находящегося в расплавленном состоянии металла сварочной
ванны с кислородом и азотом воздуха, что приводит к изменению
химического состава и ухудшению механических, коррозионных
и других свойств металла шва. Поэтому возникает необходимость
в защите зоны сварки от окружающего воздуха. Применявшаяся
в первые годы развития сварочной техники сварка голым элек-
тродом и электродом со стабилизирующим покрытием сейчас
используется в весьма ограниченном объеме и в книге не рассмо-
трена.
Широкое применение находит защита зоны сварки при по-
мощи специального состава, наносимого на поверхность элек-
2 Заказ № 782	17
о
Рис. 1-5. Электроды со специальным составом, наносимым на поверхность
электродного стержня (а) или размещенным внутри специального по-
лого электродного стержня (б и в)
тродной проволоки (покрытый электрод) (рис. 1-5, а) или вводи-
мого внутрь полого или имеющего специальную форму электрода
(рис. 1-5, б и в). Последний называют порошковой проволокой.
Роль покрытия сводится к защите зоны сварки от воздействия
окружающего воздуха, легированию металла шва полезными
элементами (а иногда и удалению из сварочной ванны вредных
примесей) и к стабилизации дугового разряда.
При сварке покрытым электродом расплавляющееся по мере
плавления стержня 1 покрытие 2 в зависимости от состава обра-
зует газовую или газошлаковую защиту 3, изолирующую зону
дуги и сварочную ванну от атмосферного воздуха (рис. 1-6).
По мере удаления дуги происходит остывание и кристаллизация
металла сварочной ванны 4 и формирование шва 5. Расплавив-
шееся покрытие всплывает на поверхность и после остывания
образует шлаковую корку 6.
Как правило, покрытие наносят на электрод до сварки.
При ручной сварке для обеспечения возможности подвода тока
к электродному стержню на один из его концов на длине 20—
35 мм покрытие не наносят. Покрытая электродная проволока
для автоматической сварки имеет специальную конструкцию,
обеспечивающую возможность подвода к ней тока.
Широкое применение при автоматическом процессе находит
защита зоны сварки гранулированным покрытием — флюсом
(рис 1-7). При этом способе
флюс 1 подается в зону дуги от-
дельно от голой электродной
проволоки 2. Флюс создает
главным образом шлаковую за-
щиту. Дуга горит между элек-
тродом и основным металлом в
пузыре 3, образованном па-
пами и газами, выделяемыми
Рис. 1-6. Сварка покрытым электро-
дом Направление сварки
указано стрелкой
18
Рис. 1-7. Сварка под флюсом На-
правление сварки ука-
зано стрелкой
в столбе дуги. Столб дуги
со' всех сторонокружен слоем
флюса толщиной 30—50 мм.
Под воздействием выделяе-
мой дугой теплоты плавятся
кромки свариваемого метал-
ла, электродная проволока
и часть флюса, примыкаю-
щая к зоне дуги, и образуется
сварочная ванна 4. По мере удаления дуги происходит кристал-
лизация сварочной ванны и формирование шва 5, соединяющего
воедино свариваемые детали. Расплавленный флюс всплывает на
поверхность сварочной ванны и при остывании образует шлаковую
корку 6, легко отделяющуюся от шва. Нерасплавившаяся часть
флюса может быть использована повторно. Расход флюса по массе
примерно равен расходу электродной проволоки.
При сварке плавящимся электродом роль флюса в основном
сводится к защите сварочной ванны и к обеспечению надлежащего
качества металла шва. Защита зоны дуги флюсом применяется
и при полуавтоматическом процессе.
При сварке с газовой защитой (рис. 1-8) зона сварки окружена
газом 1, подаваемым под небольшим избыточным давлением из
сопла 2, обычно расположенного концентрично электроду. Га-
зовая защита применяется при сварке плавящимся и неплавя-
щимся электродом. Роль газа сводится в основном к физической
изоляции сварочной ванны от окружающего воздуха. В качестве
защитной среды служат инертные и активные газы и их смеси.
Дуговую сварку в защитных газах иногда называют газо-
электрической, однако этот термин не отражает сущности проис-
ходящих явлений. Газоэлектрическим может быть назван способ,
при котором теплота для
только за счет дугового
разряда , но и за счет
химических реакций
или других процессов,
происходящих в газо-
вой фазе. При сварке
в защитных газах часть
теплоты, выделяемой за
Рис. 1-8. Сварка в защитных
газах Направление
сварки указано
стрелкой
плавления металла получается не
2*
19
Рис. 1-9. Сварка с контролируемой атмо-
сферой:
1	— приспособление для перемеще-
ния свариваемой детали;
2	— труба для подсоединения воз-
душного насоса, 3 — канал
для подачи защитного газа;
4 — смотровое окно
счет химических реакций, в общем
балансе теплоты весьма незначи-
тельна. Некоторое исключение
представляют атомноводородная
сварка, которая находит весьма
ограниченное практическое при-
менение, и сварка сжатой дугой.
Разновидностью сварки в за-
щитных газах является сварка
с контролируемой атмосферой (рис. 1-9). Сварка происходит в ка-
мере, где сначала создается вакуум, затем камера заполняется
аргоном, гелием или смесью газов (создается контролируемая
атмосфера). При этом обеспечивается более полная защита сва-
рочной ванны. Этот метод применяют при дуговой сварке непла-
вящимся электродом химически активных металлов и сплавов
автоматом, полуавтоматом или вручную. В некоторых случаях
сварку в вакууме ведут без создания специальной атмосферы.
Принципиально возможна, но находит весьма ограниченное
применение сварка с комбинированной защитой, при которой газ
и покрытие наносят на поверхность электродной проволоки при
помощи электромагнитных сил (магнитное покрытие) или вводят
внутрь электрода до сварки либо в процессе ее. Сварку с комби-
нированной защитой можно использовать как при полуавтомати-
ческом, так и при автоматическом процессе.
В последние годы находит применение полуавтоматическая
сварка активированной проволокой сплошного сечения и порош-
ковой проволокой без дополнительной защиты. В состав активи-
рованной проволоки вводят элементы-раскислители и элементы,
связывающие азот в стойкие нитриды, оказывающие незначитель-
ное влияние на качество металла шва, имеющего ферритную
структуру. В сердечник порошковой проволоки вводят железный
порошок, нитридо- и шлакообразующие составляющие.
Разновидностью дуговой сварки является плазменная сварка
(сварка сжатой дугой). При сварке столб дуги имеет более высо-
кую температуру. Это обусловливается свойством дугового раз-
ряда, заключающимся в том, что при искусственном сжатии столба
дуги и охлаждении его наружных слоев наблюдается повышение
температуры. Сжатая дуга образуется в дуговом разряде, возника-
ющем в узком канале.
Если дуговой разряд возникает между вольфрамовым или
медным электродом и основным металлом, то такая дуга назы-
20
вается дугой прямого действия, иногда именуемой проникающей
дугой (рис. 1-10, а). Если одним из электродов служит сопло (оно
может конструктивно совпадать с каналом, в котором создается
столб плазмы), то такая дуга называется дугой косвенного дей-
ствия или плазменной струей (рис. 1-10, б). Струя плазмы в этом
случае выделяется из столба дуги в виде факела.
Для образования сжатой дуги вдоль ее столба через канал
в сопле пропускается нейтральный одноатомный газ (аргон, ге-
лий) или двухатомный газ (азот, водород, окись углерода или
другие газы и их смеси). Газ сжимает столб дуги, что приводит
к повышению его температуры до 16 000° С при дуге косвенного
действия и до 33 000° С при дуге прямого действия, и образует
так называемую холодную плазменную струю. Сжатая дуга яв-
ляется весьма концентрированным источником теплоты (удельная
мощность более 500 кВт/см2). Газ в столбе сжатой дуги характе-
ризуется высокой степенью ионизации, при которой он обладает
весьма значительной электропроводностью, приближающейся
к электропроводности проводника (например металла).
Для защиты плавильного пространства от окружающего воз-
духа вокруг сжатой дуги подается дополнительный защитный газ
(аргон, углекислый газ), а иногда флюс. Для получения сжатой
дуги служат специальные устройства —• плазмотроны.
Сжатую дугу используют также для резки металла и на-
пыления.
Для сварки находит применение микроплазменный процесс,
при котором нагрев металла осуществляется высокотемператур-
ной тонкой струей — лучом плазмы, обеспечивающей весьма
высокую концентрацию энергии.
Электрошлаковая сварка. При электрошлаковом процессе основ-
ная часть энергии, расходуемая на нагрев и плавление металла,
обеспечивается за счет теплоты, выделяемой в замкнутом объеме
расплавленного шлака — шлаковой ванне при прохождении через
нее тока. Шлаковая ванна 1
образуется (наводится) путем
расплавления флюса, заполняю-
щего пространство между кром-
ками основного металла 2 и
специальными охлаждаемыми
водой приспособлениями—пол-
зунами 3, плотно прижатыми
к поверхности свариваемых де-
Рис. 1-10. Сварка сжатой дугой:
а — Дуга прямого действия,
б — дуга косвенного дейст-
вия; у — охлаждаемое медное
сопло,2 — вольфрамовый или
медный электрод, 3 — столб
Дуги
21
Йис. 1-11. Электрошлаковый процесс.
Вертикальной стрелкой по-
казано направление свар-
ки, горизонтальной — на-
правление перемещения
-электрода в зазоре
талей (рис. 1-11). Флюс плавит-
ся дугой, возникающей в на-
чальный период сварки между
основным металлом и электрод-
ной проволокой. После распла-
вления определенного количе-
ства флюса дуга шунтируется
расплавленным шлаком и гас-
нет. Длина шлаковой ванны
практически равна толщине
основного металла, а ширина
определяется зазором между свариваемыми кромками. Глубину
шлаковой ванны выбирают в зависимости от технологических
условий (состава основного металла, режима сварки и др.).
Необходимая для осуществления шлакового процесса энергия
доставляется от источника питания переменного или постоянного
тока, подсоединяемого к основному металлу и плавящемуся элек-
троду (электродам) 4, вводимому в зазор между свариваемыми
кромками и погруженному в шлаковую ванну. Электрод рас-
полагают посередине шлаковой ванны или перемещают в зазоре
от одной поверхности свариваемых деталей к другой. Ток к элек-
троду подводится при помощи мундштука 5. Проходя через шла-
ковую ванну, ток нагревает ее до температуры, превосходящей
температуру плавления основного и электродного металлов.
Шлак расплавляет кромки основного металла и электрод,
который подается в шлаковую ванну со скоростью, равной ско-
рости его плавления. Расплавленные электродный и основной
металлы стекают на дно шлаковой ванны, образуя сварочную
(металлическую) ванну 6. По мере удаления источника нагрева
происходит затвердевание — кристаллизация металла сварочной
ванны. Расплавленный шлак, находящийся над металлической
ванной, достаточно надежно защищает металл от воздействия
воздуха. По мере заполнения зазора между свариваемыми кром-
ками мундштук при помощи специального привода передвигается
вдоль свариваемого изделия.
Шлаковая ванна, наведенная в начале сварки данного шва,
по мере его формирования перемещается от начала детали к ее
концу. Для восполнения расхода шлака, затрачиваемого на
образование корочки на поверхности шва и потери на испа-
рение, в шлаковую ванну небольшими порциями добавляется
флюс.
22
Электрошлаковую сварку, как правило, ведут при вертикаль-
ном положении изделий. Кромки расположены вертикально или
под углом до 30° к вертикали.
Электрошлаковый процесс применяют для сварки углероди-
стых и легированных конструкционных сталей, специальных
сталей, алюминия, титана и других металлов и сплавов. Возможна
сварка металла практически неограниченной толщины.
В монтажных условиях часто возникает необходимость сварки
вертикальных швов металла толщиной 10—-12 мм. В этом случае
из-за малого объема шлаковой ванны имеет место не шлаковый,
а дуговой процесс. Этот процесс, получивший название дуговой
сварки с принудительным формированием, в настоящее время
находит ограниченное практическое применение. Дуговую сварку
вертикальных швов с принудительным формированием выпол-
няют также в защитных газах и порошковой проволокой. Обору-
дование и технология дуговой сварки с принудительным форми-
рованием мало отличаются от применяемых при электрошлаковой
сварке.
Электроннолучевая сварка. При этом способе сварки для на-
грева и расплавления основного металла используется энергия,
получаемая в результате интенсивной бомбардировки его быстро-
движущимися в вакууме электронами. При попадании на поверх-
ность свариваемых деталей электроны тормозятся и происходит
превращение кинетической энергии в тепловую (рис. 1-12). Сва-
риваемая деталь 1, помещенная в специальную герметическую
камеру 2, в которой откачивающие воздух насосы обеспечивают
требуемый вакуум, при помощи механизма 3 передвигается со
скоростью сварки. Сварка производится электронным лучом 4,
представляющим собой сфокусированный поток электронов.
Комплекс устройств, служащих для формирования и фоку-
сировки электронного луча, называют сварочной электронной
пушкой. В процессе сварки кинетическая энергия электронов
превращается в тепловую, которая расходуется на плавление
кромок свариваемых деталей. По мере удаления источника на-
грева происходит затвердевание сварочной ванны и образование
шва. Металл шва, так же как и при других видах сварки плавле-
нием, имеет литую структуру. Концентрация энергии электронно-
лучевой сварки очень высока, что обеспечивает получение узкого
и глубокого шва и узкой околошовной зоны. Провар при этом
виде сварки, как правило, имеет форму острого клина. Оператор,
осуществляющий сварку в зависимости от размеров камеры, на-
ходится за ее пределами или в самой камере.
Лазерная сварка. В последнее время в сварочной практике
находят применение оптические квантовые генераторы, так назы-
ваемые лазеры. При лазерной сварке нагрев и плавление металла
осуществляются мощным световым лучом, получаемым от спе-
циальных твердых или газовых излучателей. Для управления
сформированного излучателем луча служат специальные опти-
23
Рис. 1-12. Электроннолучевая сварка
Рис. 1-13. Лазерная сварка:
Z — источник питания;
2 — лампа накачки;
3— резонатор; 4 — луч
лазера; 5— оптическая
система, 6 — сваривае-
мое изделие
ческие системы (рис. 1-13). Вакуум при сварке лазером не нужен,
и сварка может осуществляться на воздухе даже на значительном
расстоянии от генератора. Энергия, излучаемая лазерами, пока
невелика и составляет от сотых долей до единиц джоулей. Коэффи-
циент полезного действия лазеров также еще очень низок. Ха-
рактерной является узкая и глубокая форма проплавления основ-
ного металла. Лазерная сварка может применяться в приборо-
строении и в специальных случаях.
Все существующие виды сварки плавлением имеют конечную
цель — получение сварных соединений, обеспечивающих необхо-
димую несущую способность сварной конструкции, ее длительную
работу в условиях эксплуатации при минимальной затрате труда
и средств. Очевидно, что рациональность использования того или
иного вида сварки зависит от конкретных условий, и поэтому
рекомендации по этому вопросу могут быть даны только для этих
случаев (см. гл. 3).
§ 1-3. Тенденции развития и пути повышения
производительности сварки плавлением
Существенное значение имеет прогнозирование раз-
вития сварочной науки и техники, сварочного производства на
длительный период. Попытаемся оценить тенденции развития
сварки плавлением на ближайшее десятилетие и наметить основ-
ные пути повышения производительности труда при этом виде
сварки. Анализ современного состояния сварочного производства
свидетельствует о том, что сварка плавлением занимает ведущие
позиции во всех промышленно развитых странах. В дальнейшем
роЛь этого вида сварки будет уменьшаться вследствие интенсив-
ного развития сварки в твердой фазе. Однако еще долгое время
сварка плавлением будет оставаться основным видом сварки ме-
таллов. Постоянное стремление к повышению производительности
и эффективности сварки плавлением проявилось в непрерывном
повышении мощности источников сварочного нагрева и увеличе-
нии концентрации энергии в зоне плавления металла. Появление
и развитие плазменно-дуговой и электроннолучевой сварки слу-
жит иллюстрацией к сказанному. Но радикальные изменения
коснулись и классического способа — сварки электрической
дугой.
Самый распространенный способ механизированной сварки
сталей и сплавов под флюсом в ряде случаев уступает позиции
сварке в углекислом газе. Абсолютные цифры, характеризующие
объемы применения сварки под флюсом, правда, постоянно воз-
растают. Полуавтоматическая сварка в углекислом газе разви-
вается поистине стремительно благодаря простоте и эффективно-
сти этого технологического процесса.
Применение порошковой проволоки открыло новые возможно-
сти перед способами сварки в защитных газах. Немаловажное
значение имеет и тот факт, что сварочная дуга, горящая в потоке
газов, вновь стала видимой. (Это звучит, может быть, парадок-
сально, но при всех преимуществах погруженной во флюс закры-
той дуги проявляется и ее недостаток — затруднительность ве-
дения дуги вдоль линии сварки, особенно при выполнении криво-
линейных швов). Упрощается и техника выполнения вертикаль-
ных и горизонтальных швов без принудительного формирования,
совершенно необходимого при сварке под флюсом. Со сваркой
в защитных газах в ряде случаев конкурирует сварка порошко-
вой и сплошной проволокой незащищенной дугой. Это особенно
важно для выполнения сварочных работ в полевых условиях.
У процесса сварки порошковой проволокой большое будущее.
Однако возможности сплошной сварочной проволоки еще да-
леко не исчерпаны. В частности, использование редкоземельных
элементов открыло большие перспективы создания новых компо-
зиций проволок для сварки в защитных газах и без дополнительной
защиты дуги.
За истекшие годы, казалось бы, вполне устоялись наши пред-
ставления о возможностях электрошлаковой сварки толстого
металла. Немало было сделано в нашей стране и за рубежом,
в частности в Великобритании, для устранения основного пре-
пятствия на пути этого прогрессивного способа сварки — необ-
ходимости нормализации сварного соединения. К сожалению,
будучи довольно эффективными в применении к нелегированным
сталям, все эти средства оказались недостаточными в случае леги-
рованных сталей, для которых неизбежное разупрочнение ме-
талла околошовной зоны требует восстановления его свойств
высокотемпературной термообработкой.
25
Новое направление применения электрошлаковой сварки —
укрупнение заготовок под ковку пли прессование Если заготовка,
сваренная электрошлаковым способом, подвергается ковке или
прессованию, нет необходимости заботиться о снятии последствий
перегрева в околошовной зоне или о нежелательных деформа-
циях. Шов, полученный электрошлаковым способом, после де-
формирования становится совершенно неотличимым от сваривае-
мого металла.
Прогресс, естественно, коснулся и сварки под флюсом — по-
высились скорости и производительность процесса благодаря
многоэлектродным аппаратам, комбинированию дуг постоянного
и переменного тока, предварительному подогреву вылета элек-
трода или присадочной проволоки, введению железного порошка
в разделку или сварочный зазор. Замена проволочных электродов
ленточными оказалась весьма эффективной при выполнении на-
плавочных, а иногда и сварочных работ. Есть ли будущее у сварки
под флюсом в условиях конкуренции со сваркой в защитных газах?
Несомненно, есть и в первую очередь при выполнении достаточно
протяженных швов, в производстве наплавочных работ.
За истекшие годы в нашей стране и за рубежом достаточно
большое развитие получила электроннолучевая сварка. Этим
способом в первую очередь выполняют различные соединения
тонкого металла в электронной промышленности, приборострое-
нии, а также в авиа- и ракетостроении. Интенсивно ведутся
работы по освоению электроннолучевой сварки сравнительно
толстых трудносвариваемых сталей и сплавов. Дальнейшее раз-
витие электроннолучевой сварки будет, по-видимому, идти по
пути повышения ускоряющего напряжения (вплоть до 150 кВ)
и увеличения единичной мощности электронных пушек (до 30—
50 кВт). Все большее внимание будет уделено сварке в форва-
кууме. Расширится применение различных накидных камер для
создания местного вакуума. Будут разработаны подлинные станки-
автоматы с использованием сварки электронным лучом.
Вместе с тем широкое распространение получат и установки
с большими и сверхбольшими камерами, что обусловлено созда-
нием и освоением промышленного выпуска надежных вакуумных
насосов чрезвычайно высокой производительности. Таким обра-
зом, перспективы электроннолучевой сварки — сварка толстого
металла в изделиях самого ответственного назначения: роторах
турбин и генераторов, сосудах высокого давления и т. и.
В ближайшие годы целесообразно резко усилить исследования
в области физики сварочной дуги, источников питания и управле-
ния. Здесь еще скрыты большие резервы и возможности, о чем
убедительно свидетельствует опыт разработки и применения
плазменно-дуговых источников нагрева.
Создание оборудования и технологии микроплазменной дуго-
вой сварки тонкого металла является одним из важных достиже-
ний последних лет. За короткий срок наша промышленность
26
освоила около тысячи комплектов аппаратуры для этого способа,
и спрос на нее неудержимо растет. Микроплазменная дуга успешно
соединяет тонколистовую сталь, алюминиевые сплавы. Сварка
микроплазмой вытесняет электроннолучевую при выполнении
соединений металла толщиной 1 мм и менее. Однако пока еще
не определились рациональные области распространения плаз-
меннодуговой сварки с использованием достаточно мощных плазмо-
тронов. Видимо, вскоре появятся способы рационального исполь-
зования плазменной дуги с высокой концентрацией энергии.
Новый способ сварки когерентным световым лучом исполь-
зуется пока ограниченно, прежде всего в электронной промышлен-
ности Еще продолжаются поисковые работы по определению
рациональных областей применения этого способа Однако интен-
сивное развитие исследований с целью создания все более мощных
лазеров, импульсных и непрерывного действия, может в короткое
время привести к совершенно новым решениям, к применению
сварки световым лучом в достаточно прозаических, по нынешним
представлениям, областях промышленности.
Истекшие годы характерны тем, что некоторые так называемые
старые способы сварки плавлением получили в сегодняшних усло-
виях вторую жизнь, так, например, гравитационная сварка,
исключительно быстро получившая широкое распространение
в Японии. Речь идет о сварке наклонным электродом методом
А. Силина, предложенным в СССР еще в начале 30-х годов. Нечто
подобное происходит и со сваркой лежачим электродом.
На новой ступени развития сварочного производства может
найти применение и оказаться целесообразной так называемая
многоголовочная сварка. На заре механизации наплавочных и
сварочных работ предлагались аппараты и установки с несколь-
кими головками, затем с появлением сварки под флюсом и резким
повышением скорости перемещения дуги идея эта была в значи-
тельной степени забыта Теперь, когда трудно рассчитывать на
дальнейшее существенное повышение скорости сварки под флю-
сом металлов средних толщин, следует вспомнить о многоголовоч-
ной сварке. Нетрудно увидеть, что разбив, например, продольный
шов трубы длиной 12 м на четыре участка и поставив на каждом
из них по аппарату, можно сварить трубу вчетверо скорее, чем
это делается в настоящее время одним аппаратом.
Для реализации этого способа повышения производительности
сварки требуется решить, по крайней мере, три задачи: синхрони-
зации возбуждения равноудаленных дуг, точного направления
по стыку нескольких дуг, стабилизации режима горения каждой
из них и, наконец, бездефектного перекрытия каждой последу-
ющей дугой начальной части шва, выполненного предыдущей
головкой, с надежной заваркой кратера. Возможно, в таких мас-
совых отраслях промышленности, как трубная, судо- и вагоно-
строительная, резервуаростроение, многоголовочная сварка ока-
жется в недалеком будущем достаточно эффективным средством
27
повышения производительности труда. В нашей стране разрабо-
таны новые типы высокопроизводительных и универсальных элек-
тродов; за истекшие 10 лет построены современные высокомеха-
низированные заводы, выпускающие ежегодно сотни тысяч тонн
высококачественных электродов общего назначения; созданы и
выпускаются промышленностью низкотоксичные электроды, обес-
печивающие высокую производительность сварки. Качество швов,
выполненных отечественными электродами общего назначения,
существенно превышает требования международной классифика-
ции МИС.
Успехи в разработке и изготовлении электродов привели к тому,
что по производительности ручная сварка зачастую не уступает
полуавтоматической под флюсом и в углекислом газе. Создается
положение, аналогичное существовавшему в 30-х годах перед
разработкой способа сварки под флюсом, когда автоматическая
сварка покрытой электродной проволокой в ряде случаев не могла
конкурировать со сваркой штучными электродами.
Какой же выход, как добиться повышения эффективности
механизированной сварки? Мы не видим путей резкого повыше-
ния производительности собственно полуавтоматической дуговой
сварки. Поэтому нужно стремиться к расширению областей при-
менения автоматов с тем, чтобы один сварщик мог обслуживать
несколько постов. При этом скорость сварки каждым из аппаратов
может быть равна скорости сварки штучными электродами. Сум-
марная же производительность труда будет выше, чем при ручной
сварке, в число раз, равное числу обслуживаемых аппаратов.
Такой путь вполне приемлем в судостроении и вагоностроении,
сельскохозяйственном машиностроении, при заводском изготовле-
нии некоторых строительных металлоконструкций, труб большого
диаметра.
Наметившаяся еще до второй мировой войны тенденция меха-
низации сварки стала основным направлением развития свароч-
ного производства во всех индустриальных странах. Суммарный
уровень механизации сварки в СССР достиг к 1971 г. 57,3% (по
трудоемкости) и будет неуклонно повышаться дальше.
В предстоящем десятилетии огромное внимание будет уделено
созданию новых специализированных аппаратов, установок, ма-
шин для сварки, собираемых из унифицированных, надежных,
проверенных узлов. Известно, что квалифицированный сварщик,
накладывая шов, выполняет сложный комплекс движений, управ-
ляя формой сварочной ванны и кристаллизацией сварного шва.
Фактически из этих элементов манипулирования электродом в на-
ших сварочных аппаратах реализованы только два — подача
электрода в дугу и поступательное равномерное перемещение его
вдоль стыка. Изредка осуществляется поперечное колебание
конца электрода. Между тем современные достижения в области
автоматического управления позволяют полностью воспроизво-
дить весь цикл операций, выполняемых опытным сварщиком.
28
Над созданием таких аппаратов работают специалисты многих
стран.
В последние годы удалось осуществить управление переносом
металла в дуге посредством наложения периодических импульсов
на сварочный ток. Но это только первый шаг. На очереди созда-
ние новых систем, которые позволят надежно управлять как
переносом металла, так и формой шва, а в некоторых случаях
и ходом физико-химических реакций в плавильной зоне. Все
сказанное в равной мере относится к сварке под флюсом и в за-
щитных газах. Следовательно, мы вправе ожидать появления
аппаратов, которые смогут успешно решать задачу оптимизации
всех операций, связанных с дуговой сваркой.
В Советском Союзе неизменно увеличивается производство
сварных конструкций, а также увеличивается доля используемого
для этого металла в общем объеме выплавки стали. Эта тенденция
будет наблюдаться и в будущем. Все больше стали, алюминия,
титана и их сплавов будет применяться в виде сварных конструк-
ций из листов, труб, прокатных и гнутых профилей.
Нет сомнений, что значительная доля общего выпуска сварных
конструкций по-прежнему будет приходиться на единичное про-
изводство. Позиции ручной дуговой сварки здесь очень прочны.
Правда, за последние годы ее удалось немного потеснить с по-
мощью полуавтоматов для сварки в защитных газах. Но далеко
не всегда сравнение здесь в пользу полуавтомата. Только каче-
ственный скачок может в корне изменить сложившуюся ситуацию.
Этот скачок станет возможным, если будет создан новый способ
получения сварного соединения, основанный, вероятно, на исполь-
зовании нового мощного концентрированного источника тепловой
энергии, более эффективного, чем нынешняя сварочная дуга.
В случае разработки такого способа будет решена задача суще-
ственного повышения производительности труда в единичном
производстве, а также при выполнении строительно-монтажных
работ в полевых условиях.
Говоря о перспективах развития сварочной техники на бли-
жайшие годы, следует особо остановиться на ее применении в мас-
совом и крупносерийном производстве. Здесь целесообразна воз-
можно большая степень механизации и автоматизации не только
собственно сварки, но и всего комплекса предшествующих и
следующих непосредственно за ней технологических операций.
Основная трудность в решении этой проблемы связана с отсут-
ствием в настоящее время надежных замкнутых систем контроля
качества сварных соединений.
Несмотря на известные достижения в создании физических
методов неразрушающего контроля, все они еще остаются пассив-
ными. Мы научились пользоваться автоматами для расшифровки
рентгенограмм, что еще нельзя сказать об ультразвуковой дефекто-
скопии. Началось освоение статистических методов обработки
результатов контроля. Все это хорошо, но уже недостаточно.
29
Нам нужно создать замкнутые системы контроля качества сварных
соединений с обратными связями.
Процесс сварки металлов представляет собой далеко не про-
стой объект для физического моделирования и построения мате-
матических моделей. Тем не менее необходимо не откладывать
решение этой сложной задачи. Следовало бы начать с разработки
соответствующих датчиков, способных накапливать необходимую
информацию о данном технологическом процессе сварки. Проблема
обработки этой информации и, возможно, оптимизации выдавае-
мых решений с использованием в ряде случаев электронных вы-
числительных устройств должна быть решена в недалеком бу-
дущем. Если удастся создать системы управления с обратными
связями, обеспечивающие контроль за геометрическими разме-
рами швов, за ходом физико-химических реакций, тепловых про-
цессов и усадочных явлений в зоне сварки, будет сделан шаг
вперед на пути дальнейшего прогресса сварочной техники.
В наплавочной технике достаточно высок уровень механизации,
создана прогрессивная технология как электродуговой, так и
электрошлаковой наплавки. В частности, замена проволочных
электродов ленточными при наплавке под флюсом и электродами
большого сечения при электрошлаковой наплавке способствовали
значительному повышению производительности труда и качества
наплавочных работ. Однако пока наплавка все еще используется
преимущественно в ремонтном деле. Между тем имеются вполне
реальные возможности создавать готовые изделия с поверхност-
ным слоем, обладающим заданными свойствами, например, износо-
стойкостью, сопротивляемостью воздействию коррозионных сред
и т. д. Посредством наплавки следует изготовлять износостойкий
биметалл, столь необходимый для сельскохозяйственного и до-
рожного машиностроения, производства металлургического обо-
рудования и т. д.
Классические методы дуговой наплавки, несомненно, будут
потеснены новыми, более производительными. Среди них следует
упомянуть литейные методы, основанные на нанесении слоя
жидкого металла заданного состава Весьма перспективным пред-
ставляется новый метод нанесения армированного твердыми ча-
стицами слоя металла. Эффективными способами нанесения ме-
талла также являются намораживание из расплава, оплавление
различных паст и покрытий с помощью плазменной дуги, элек-
тронного луча или индукционного нагрева.
Все сказанное отнюдь не уменьшает значение классических
методов наплавки. Использование таких достижений электро-
шлаковой технологии, как переплав неподвижных электродов
большого сечения, специальные подвижные формирующие кри-
сталлизаторы, бифилярная схема подключения электродов,
жидкий старт и т. п., открывает новые возможности повышения
эффективности наплавочных работ, выполняемых электрошлако-
вым способом.
30
Огромное внимание будет уделено сварке разнородных ме-
таллов. Сочетания соединяемых материалов значительно расши-
рятся, все большие требования будут предъявляться к конструк-
тивной прочности соединений. Появится необходимость выпол-
нять соединения без так называемых переходников. Это суще-
ственно усложнит задачу.
Как это ни парадоксально, чистые стали оказались более
капризными при сварке, чем загрязненные серой, фосфором и
другими примесями. В связи с этим уже сейчас можно вполне
определенно считать, что в недалеком будущем сварщикам и
металлургам предстоит преодолеть немало трудностей, связанных
с использованием в сварных конструкциях чистых сталей и спла-
вов. Но этот нелегкий труд окупится сторицей, ибо будет достиг-
нута главная цель — надежность, долговечность сварных кон-
струкций из рафинированных сталей возрастет во много раз!
Физико-металлургические
процессы при сварке
плавлением
Процессы, происходящие при сварке плавлением,
достаточно сложны и имеют существенное значение,
так как определяют качество сварного соединения.
При этом виде сварки применяются различные
источники теплоты, обладающие специфическими
свойствами. Эги источники оказывают тепловое и
химическое воздействие на основной и присадочный
металлы, от чего зависят состав и свойства металла
шва, а также структура околошовной зоны. В ре-
зультате нагрева, осуществляемого этими источни-
ками теплоты, металл плавится, образуя сварочную
ванну, а затем затвердевает в виде сварного шва.
В зоне сварки происходит взаимодействие жидкого
металла со шлаком и газом. Перечисленные процессы
являются общими для всех способов сварки плавле-
нием.
§ 2-1. Сварочная дуга
Сварочная дуга является электрическим разрядом
в газах сравнительно высокого давления (не ниже
50 тор). Она характеризуется высокой плотностью
тока в электропроводном газовом канале и низким
напряжением между электродами. Электропровод-
ность газа дуги обусловлена заряженными части-
цами — электронами и ионами, возникающими в ре-
зультате его термической ионизации. Образующаяся
смесь нейтральных атомов, электронов и ионов но-
сит название плазмы.
В электрической дуге энергия источника ее пита-
ния преобразуется в кинетическую и потенциальную
энергию частиц плазмы, которая, в свою очередь,
передается электродам и частично превращается
в электромагнитное излучение — фотоны, покида-
ющие зону дуги.
Электропроводный газовый канал, соединяющий
электроды, имеет форму усеченного конуса или ци-
32
линдра. Его свойства на различных расстояниях от электродов
не одинаковы. Тонкие слои газа, примыкающие к электродам,
имеют сравнительно низкую температуру. В зависимости от по-
лярности электрода, к которому они примыкают, эти слои назы-
ваются катодной и анодной областями дуги. По ориентировоч-
ным'данным протяженность /к (толщина) катодной области'равна
нескольким длинам свободного пробега нейтральных атомов,
т. е. /к = 10“ 4-н10"8 см. Анодная область приравнивается к
длине свободного пробега электрона, имеющей порядок 1а =
= 10" ®-М0" 4 см. Между приэлектродными областями распола-
гается наиболее протяженная, высокотемпературная область
разряда — столб дуги (рис. 2-1).
Напряжение дуги £/д распределяется между различными ее
областями весьма неравномерно (рис. 2-1). Значительная часть
его падает в приэлектродных областях, что указывает на высокую
напряженность электрического поля Ь =------в них. 1ак,
в катодной области протяженностью 1К — 10"8 см и падением
напряжения UK — 10—20 В напряженность поля достигает вели-
чины Ек = 2-10® В/см. В анодной области она оценивается зна-
чением Еа = 104 В/см. Поэтому процессы, протекающие в при-
электродных областях, играют первостепенную роль в механизмах
преобразования электрической энергии источников питания в теп-
ловую и передачи ее электродам.
Столб дуги. В столбе дуги падение напряжения сравнительно
невелико, а напряженность поля в нем составляет 10—50 В/см.
При отсутствии ограничений в радиальном развитии столба дуги
его диаметр, а также температура и напряженность поля в нем
определяются внутренними процессами. Для оценки величины
перечисленных параметров столба дуги современная теория ис-
пользует уравнение баланса
энергии единицы длины столба и
Рис. 2-2. Зависимость напряжений в
приэлектродных областях
от потенциала ионизации
дугового газа
Рис. 2-1. Основные области дуги
и распределение^потен-
циала в дуге:
1 — катод; 2 — катодная
область; з— столб; 4 —
анодная^область; 5—анод
3 Заказ № 782	33
ции газа (Саха). Кроме того, для дуги справедлив «принцип мини-
мума», утверждающий, что из всех возможных состояний столба
наиболее устойчиво состояние с минимальной напряженностью
поля в нем Из этих уравнений и изложенного принципа выте-
кают:
температура столба, К:
Т = 800£7f;	(2-1)
напряженность поля, В/м:
£=2.1O«-J7S^-;	(2-2)
плотность тока, А/м2: ’
и3,2
/ср = 5,5-10~8	‘о-у,	(2-3)
е ‘л
где Ut — потенциал ионизации; Ge—сечение столкновения ато-
мов с электронами.
По силе тока /д и его плотности гср легко вычислить сечение S
и диаметр столба d, так как
_____ Iд
4 г’ср
Из уравнений (2-1)—(2-3) видно, что все параметры столба
дуги наиболее существенно зависят от потенциала ионизации
дугового газа, с ростом которого значительно увеличиваются
температура столба, напряженность поля и плотность тока. Так,
при горении дуги в парах калия (f/z = 4,33 эВ) и силе тока 200 А
температура столба равна 3460 К, напряженность поля 8 В/см
и плотность тока 300 А/см2. При той же силе тока дуга в парах
железа ((/( = 7,83 эВ) характеризуется параметрами Т — 6320 К,
Е = 28 В/см и icp = 1800 А/см2.
В большинстве случаев сварочные дуги горят в смесях многих
газов и паров, включающих пары электродов, покрытий и флюсов,
воздух, защитные газы и т. д. При термической ионизации такие
смеси веду г себя подобно некоторому однородному газу с «эффек-
тивным потенциалом ионизации ЙЭф», зависящим как от потенциа-
лов ионизации компонентов смеси Ut, так и от их относительной
концентрации Как показал В. В. Фролов,
k
,,	Т , V ( П1 \!/2	(	580077/ \ ,о
^ = -T580<rln2j Ш еХР(----------------Т-/ *	(2'4)
Из уравнения (2-4) следует, что наибольшее влияние на вели-
чину эффективного потенциала ионизации смеси оказывает тот
компонент, который имеет самый низкий потенциал ионизации,
34
'Так, смесь паров калия (Ut = 4,33 эВ) и железа (Ut = 7,83 эВ)
при одинаковой их концентрации — = 0,5 и температуре 5800 К
характеризуется эффективным потенциалом ионизации 1/эф =
— 4,61 эВ. В большинстве случаев введение в газ столба 5—8%
присадок с низким потенциалом ионизации уже существенно сни-
жает ^/эф смеси и в соответствии с уравнениями (2-1)—(2-3)
оказывает сильное воздействие на все параметры столба: снижается
температура и напряженность поля в нем, увеличивается диаметр.
При сварке металлов неплавящимися электродами в среде
защитных газов концентрация различных компонентов смеси
неодинакова по длине дуги. Так, при сварке алюминия в среде
аргона дугой с вольфрамовым электродом наиболее высокая кон-
центрация паров алюминия наблюдается у поверхности изделия,
наименьшая —• у вольфрамового электрода. В результате столб
сильно расширен у алюминиевого и сжат у вольфрамового элек-
тродов Температура, плотность тока и напряженность поля в раз-
личных его сечениях неодинаковы. Это, в свою очередь, приводит
к появлению интенсивных потоков плазмы.
Мощность, теряемая столбом дуги,
Рс = ЕПС
частично передается электродам дуги, частично излучается в про-
странство. Чем больше дуга углубляется в свариваемый металл,
тем меньше потери излучения столба.
Анодная область. Температура газа в этой области падает
на несколько тысяч градусов от температуры столба Тс до темпе-
ратуры поверхности активного пятна анода. Активной назы-
вается лишь та часть поверхности анода, на которую течет ток
дуги. Большинство металлических анодов, кипящих при темпе-
ратурах ниже 4000 К, испаряется в зоне активных пятен под
действием теплоты дуги, поэтому перепад температур АТ в анод-
ных областях в таких случаях может быть найден с достаточной
определенностью из уравнения
АТ = Тс - Тк,
где Тк — температура кипения материала анода.
При протяженности анодной области 10~4 см и АТ = 3-104 К
дт
градиент температуры в ней имеет значение —= 3-10’ К/см.
Это вызывает интенсивный тепловой поток Q в сторону анода:
ДГ с
Q=~ Vi-r-Ff,
*а
где — коэффициент теплопроводности газа; Ft — площадь актив-
ного пятна на аноде.
Стационарное состояние анодной области возможно при вос-
полнении этого потока выделяющейся внутри нее мощностью
3*	35
тока UJ^, где Ua — падение напряжения в анодной области.
Отсюда баланс энергии анодной области выражается соотношением
=	(2-5)
Сравнительно низкая средняя температура анодной области
указывает на весьма малую вероятность термической ионизации
заполняющего ее газа. Поэтому основными заряженными части-
цами, находящимися в этой области, являются электроны, пере-
носящие ток от столба к аноду. Электроны создают здесь простран-
ственный отрицательный заряд плотностью Ре, который и
определяет характер изменения напряженности поля в анодной
области. С учетом этого заряда и переносимого им тока можно из
уравнения (2-5) найти величину падения напряжения в анодной
области:
АТ®-®!!®’®
,	(2-6)
1 °е
где i — средняя плотность тока в анодной области; Ье — подвиж-
ность электронов.
Заметное влияние на величину Ua оказывает коэффициент
теплопроводности газа, заполняющего анодную область. В газах
с высокой теплопроводностью сравнительно велико падение на-
пряжения в анодной области. Вследствие сравнительного постоян-
ДТ°’®
ства соотношения —6 в широком диапазоне изменений потен-
циала ионизации газа столба и тока дуги анодное напряжение
относительно постоянно (см. рис. 2-2). По многочисленным изме-
рениям в дугах сварочного режима t/a составляет 4—6 В.
Мощность иа1л, выделяющаяся в анодной области, передается
аноду и расходуется на его нагрев и плавление. Кроме того, при
пересечении электронами границы газ—металл их потенциальная
энергия уменьшается на величину работы выхода металла <р,
которая также передается аноду. При силе тока /д и работе вы-
хода UB эта разность составит UBIR. В результате общая переда-
ваемая аноду мощность равна
Ра = (^а + ^в)/д-
В дуге со стальным анодом Ua =4,2 В, a UB = 4,36 В, поэтому
каждым ампером тока аноду передается мощность (4,2 + 4,36) X
X 1 = 8,56 Вт. Ее достаточно, чтобы за 1 ч расплавить и нагреть
до температуры 2933 К (температура капель, покидающих сталь-
ной анод) около 14,5 г/А-ч металла. По многочисленным изме-
рениям фактически плавится 11,5 г/А-ч металла, так как часть
передаваемой аноду мощности затрачивается на его испарение.
Расчеты и измерения показывают, что эта мощность составляет
около 2 Вт на каждый ампер тока.
36
Катодная область. Недостаток данных о физических процессах
в катодной области заставляет исследователей пользоваться рядом
гипотез об их сущности и на этой основе выяснять важные для
практики сварки закономерности. Основное затруднение воз-
никает при объяснении процессов стекания электронного тока
высокой плотности с катодов дуги, кипящих при сравнительно
низких температурах (холодных катодов).
Расчет термоэлектронного тока 1е производят по уравнению
Ричардсона—Дешмана:
Д = АТ2ехр (----,
где А — постоянная; Т — температура поверхности катода; k —
постоянная Больцмана.
Такие расчеты дают максимальную величину плотности термо-
электронного тока на стальных, медных, алюминиевых, никелевых
и других холодных катодах 1е — 20-^50 А/см2. Эксперимен-
тально же измеренная плотность тока в активных пятнах таких
катодов достигает нескольких тысяч ампер на квадратный санти-
метр. Следовательно, термоэлектронной эмиссией нельзя объяс-
нить процессы на холодных катодах.
Электростатическая гипотеза объясняет механизм стекания
электронов действием у катода поля высокой напряженности
(Е = 1О’-н1О8 В/см), создаваемого объемным положительным
зарядом ионов. Она удовлетворительно согласуется с основными
представлениями и уравнениями современной физики, описыва-
ющими явления на границе металл—газ в аналогичных условиях.
Однако эта гипотеза пока не разработана в такой мере, чтобы
выяснить основные параметры катодной области и определяющие
их факторы.
Термическая гипотеза предполагает существование у катода
небольшой области газа — ионизационного пространства, нагре-
той до температуры немного более высокой, чем температура
столба. В этой области в результате интенсивной термической
ионизации образуется необходимое количество электронов и
ионов, которые движутся соответственно заряду в столб (элек-
троны) и к катоду (ионы). Рекомбинируя у поверхности катода,
ионы вызывают стекание с него тока электронов соответствующей
силы. На основе термической гипотезы получены некоторые под-
тверждаемые экспериментом закономерности, описывающие ка-
тодную область дуги.
Принимается, что температура ионизационного пространства
постепенно убывает в направлении катода от некоторого макси-
мального значения Тк до температуры кипения материала ка-
тода Тк, поскольку скачки температуры и, следовательно, бес-
конечные градиенты падения температуры невозможны.
В катодной области разность температур АТ = Тл — Т& может
37
Дос'гига'гь нескольких тысяч градусов, а ее градиент —j— —
= 108 К/см. При этом тепловой поток в сторону катода достигает
значительной величины, определяемой уравнением
АТ
=	(2-7)
Как и в анодной области, стационарное состояние газа у ка-
тода возможно при соблюдении баланса его энергии:
(2-8)
1К
В уравнениях (2-7), (2-8) FK обозначает площадь катодной
области, через которую проходит ток дуги, и равную ей площадь
активного пятна на катоде. В слое газа, непосредственно примы-
кающем к катоду и имеющем сравнительно низкую температуру,
термическая ионизация практически невозможна. Поэтому элек-
трический ток через него переносится главным образом ионами,
движущимися из ионизационного пространства к катоду. Ионы
создают здесь объемный положительный заряд значительной
плотности.
Расчеты показывают, что электроны, обладающие весьма вы-
сокой по сравнению с ионами подвижностью, практически не
влияют на плотность объемного заряда у катода, даже если их
ток составляет половину общего тока дуги. С учетом объемного
заряда у катода, определяемой им напряженности поля и плот-
ности тока, полученной из уравнения (2-8) баланса энергии ка-
тодной области, получают выражение для катодного падения
напряжения
С/к = 2,3.10>^Х-,	(2-9)
к и1
где bi — подвижность ионов; гк—плотность тока в катодной
области.
В катодной области почти всегда наблюдается сужение элек-
тропроводного газового канала. Это можно рассматривать как
результат малой взаимной зависимости процессов, определяющих
плотности токов в столбе и катодной области. Поэтому для катод-
ной области отношение —0 4 , входящее в уравнение (2-9), не
г'к
является постоянным и существенно зависит от разности темпе-
ратур в ее пределах. В связи с этим по мере роста потенциала
ионизации газа столба увеличиваются температура Тк и разность
АТ1 = Ти — Тк, поскольку температура активного пятна огра-
ничена температурой кипения катода Тк и остается постоянной.
В соответствии с уравнением (2-9) это приводит, при прочих
равных условиях, к увеличению напряжения катодной области.
38
Зависимость UK от Ut, вычисленная по уравнению (2-9), хорошо
подтверждается экспериментом (см. рис. 2-2).
Из приведенных уравнений следует, что при высоких темпера-
турах кипения катода разность температур AT = Tw — Тк и
напряжение катодной области должны быть сравнительно низ-
кими. Действительно, при прочих равных условиях напряжение
у вольфрамового катода составляет 8—9 В, у алюминиевого 17—
18 В. Подтверждается также зависимость катодного напряжения
от теплопроводности газа. В дугах, горящих в струе гелия, обла-
дающего высокой теплопроводностью, катодное и анодное напря-
жения выше, чем в аргоне, теплопроводность которого сравни-
тельно невелика. Эти падения выше в парах алюминия и ниже
в парах железа в полном соответствии с их теплопроводностью.
При любом механизме протекающих в катодной области про-
цессов она поставляет в столб электроны с потенциальной энер-
гией, близкой к нулю. На переход каждого электрона из катода
в столб затрачивается работа выхода <р (эВ) или UB, а при силе
тока дуги /д — мощность /д£/в. Поэтому результирующая мощ-
ность, получаемая катодом,
Она затрачивается на нагрев и плавление катода; чем больше
катодное напряжение дуги UK, тем интенсивнее плавится катод.
Выше показано (см. рис. 2-2), что UK возрастает с ростом потен-
циала ионизации [/( дугового газа. Поэтому введение в дугу
легко ионизирующихся элементов, снижающих Ut, всегда при-
водит к уменьшению как скорости плавления катода, так и эффек-
тивности сварочного процесса. Опыт показывает, что повышение
коэффициента теплопроводности газа в катодной области приводит
к росту скорости плавления катода.
В дуге со стальным катодом, горящей в воздухе, UK = 14 В,
UB ~ 4,36 В, поэтому мощность, передаваемая катоду каждым
ампером тока,
рк = (14 _ 4,36) = 9,64 Вт/А.
Этой мощности достаточно для плавления 17,4 г/А-ч стали.
Фактически расплавляется 14,5 г/А-ч и около 2 Вт/А затрачи-
вается на испарение катода.
Статическая вольт-амперная характеристика дуги. Проводники,
подобные дуге, называются нелинейными, и их характеризуют
статические вольт-амперные характеристики (в. а. х.), представ-
ляющие зависимость напряжения на них от тока в установившихся
режимах. Поскольку = U„ + LL + EL, то из уравнений
(2-2), (2-6) и (2-9) следует
Д-Т-0,6	р
Здесь А, В и С объединяют все постоянные, входящие в соответ-
ствующие уравнения.
39
При малых токах тепловые потоки от приэлектродных областей
к активным пятнам электродов невеликими последние не могут быть
разогреты до температуры кипения. Поэтому разность темпера-
тур и, следовательно, напряжения в этих областях при малых
токах значительны. Велико при этом и падение напряжения
в столбе. В этих условиях дуга характеризуется высоким напря-
жением горения.
По мере роста силы тока разогрев электродов увеличивается,
разности температур в приэлектродных областях, а также напря-
жение столба уменьшаются. В итоге общее напряжение дуги
с увеличением силы тока уменьшается и вольт-амперная харак-
теристика становится падающей. Однако при некотором значении
тока катодное пятно дуги занимает весь торец электрода и даль-
нейшее его увеличение становится невозможным. Увеличение
силы тока дуги после этого происходит не за счет увеличения
площади проводящего канала у катода, а вследствие увеличения
концентрации зарядов в нем. Последнее происходит при повыше-
нии температуры канала и, следовательно, увеличении разности
температур в катодной области. В итоге увеличивается катодное
напряжение и характеристика дуги становится сначала незави-
симой, затем возрастающей. Чем меньше диаметр электрода, тем
при меньших силах тока падающая характеристика дуги стано-
вится независимой и затем возрастающей. Две такие характери-
стики для горящих в воздухе дуг длиной 1С = 5 мм со стальными
электродами диаметром 2 и 4 мм показаны на рис. 2-3.
Газовые потоки в дуге. Мощные потоки ионизированного газа
с преимущественным направлением вдоль оси обнаружены экс-
периментально во всех дугах. Как правило, они появляются при
токах выше 50 А по истечении не более 10“ 6 с после возбуждения
дуги. Их скорости в сварочной дуге со стальными электродами
достигают 75—150 м/с. Потоки обладают значительной тепловой
мощностью и влияют на баланс энергии всех областей дуги.
Так, по измерениям Н. Н. Рыкалина, И. Д. Кулагина и А. В. Ни-
колаева, при силе тока свыше 300 А мощность, передаваемая
потоком газа свариваемому изделию, составляет 40% получаемой
через активное пятно дуги.
Газовые потоки оказывают также силовое воздействие на
электроды, определяя при сварке глубину проплавления и высоту
валика Потоки сообщают «жесткость» дуге вблизи электродов,
поддерживая направление столба перпендикулярно поверхности
активных пятен. Причинами возникновения потоков являются
сжатие плазмы столба собственным магнитным полем (пинч-
эффект) и испарение электродов.
В столбе дуги действует магнитное поле с концентрическими
линиями индукции, как вокруг всякого линейного проводника
(рис. 2-4). Поскольку ток di в различных элементах столба проте-
кает почти перпендикулярно индукции поля В, на них действует
сила Ампера df, направленная к центру столба и вызывающая
40
Рис. 2-3. Статические вольт-ампер-
ные характеристики от-
крытой дуги с катодами
различных диаметров
Рис. 2-4 Элемент тока di
в магнитном поле
столба
его сжатие.^ Когда столб представляет собой цилиндр, сжатие
во всех его сечениях одинаково и осевой поток газа отсутствует.
В случае наличия даже местных сужений столба наибольшее
сжатие, как показывает анализ, наблюдается в его самых малых
сечениях. В результате газ перетекает из зоны большего сжатия
в соседние зоны, т е. в сторону уширения столба. Поскольку ука-
занные местные сужения наблюдаются главным образом у катода,
то там и зарождаются потоки газа.
Испарение электродов объясняется тем, что передаваемая
дугой их активным пятнам удельная мощность не может быть
отведена от пятен теплопроводностью и лучеиспусканием даже
при предельно возможной температуре пятен (кипении). Анализ
имеющихся экспериментальных данных показывает, что интен-
сивность испарения электродов и вызываемые им эффекты растут
по мере увеличения передаваемой электродам мощности и плот-
ности тока в активных пятнах. Обе эти величины быстро растут
по мере увеличения потенциала ионизации дугового газа Осо-
бенно интенсивные потоки истекают из пятен электродов, кипящих
при низких температурах.
Распределение энергии по активным пятнам дуги. Как пока-
зывает опыт, мощность, передаваемая активным пятнам дуги и
расходуемая на нагрев, плавление и испарение электродов, рас-
пределена по площади пятен неравномерно. Максимальна она
в центральных зонах пятен и уменьшается к краям. Кроме того,
электроды-пластины, которыми чаще всего служат свариваемые
изделия, получают от дуги часть мощности излучения и газовых
потоков столба теми точками, которые расположены за пределами
активных пятен. Пятна, в свою очередь, перемещаются (блу-
ждают) по поверхностям электродов. Все это приводит к увеличе-
нию ширины и уменьшению глубины проплавления металла, что
снижает эффективность дуги в сварочном процессе.
*Для уменьшения зоны блуждения пятна дуги на электроде-
пластине столб дуги помещают в продольное магнитное поле либо
41
Таблица 2-1
Энергетические и технологические характеристики дуг
Параметр	Потенциал ионизации U •	
	высокий	НИЗКИЙ
Напряжение дуги		Высокое	Низкое
Активный к. п. д., %			55—65	55—65
Падение напряжения, В: анодного 		4—6	4—6
катодного 		Высокое	Низкое
Плотность тока на аноде и на катоде . . .	Высокая	Низкая
Скорость плавления стальной проволоки, г/А -ч: анода 		11—12	11—12
катода 		Высокая	Низкая
Погружение активных пятен в ванну: анодного 		Малое	Малое
катодного 		Большое	»
Блуждание катодного пятна по электродам	Интенсивное	Слабое
Эластичность дуги		Малая	Большая
на пластины наносят пленки вещества, затрудняющего горение
Дуги.
Зону действия газовых потоков уменьшают сужением сечения
столба дуги у электродов-пластин путем уменьшения длины дуги
и увеличения потенциала ионизации ее газа. Общие характери-
стики дуг с высоким и низким потенциалом ионизации дугового
газа приведены в табл. 2-1.
Особенности дуг переменного тока. При питании дуги пере-
менным током частотой / каждый из электродов / раз в секунду
поперечнно бывает катодом и анодом. За каждый период ток
дважды принимает нулевое значение, при котором дуга гаснет.
Затем, по мере увеличения тока, она снова возбуждается. Опыт
и теоретические расчеты показывают, что даже после весьма
кратковременных погасаний дуги газ столба охлаждается, деиони-
Рис. 2-5. Осциллограмма тока и напряжения дуги переменного тока
42
зируется и каждое повторное возбуждение дуги происходит в усло-
виях, требующих кратковременного повышения напряжения на
электродах. В результате в начале каждого полупериода на кри-
вой напряжения дуги появляется пик, называемый пиком зажи-
гания (рис. 2-5).
Чем выше потенциал ионизации дугового газа, тем выше тем-
пература столба дуги [см. уравнение (2-1) ], тем быстрее он теряет
энергию и охлаждается перед повторными возбуждениями. Если
для повторных возбуждений дуги требуются напряжения более
высокие, чем амплитуда напряжения холостого хода сварочного
трансформатора, дуга повторно не возбуждается и процесс пре-
кращается.
Для облегчения повторных возбуждений дуг с высоким потен-
циалом ионизации дугового газа используют осцилляторы и
специальные генераторы импульсов, повышающие напряжение
на электродах после перехода тока дуги через нулевые значения.
На возбудившейся дуге в течение всего полупериода тока уста-
навливается постоянное напряжение, и она горит устойчиво.
При использовании в качестве электродов металлов с различной
температурой кипения дуга приобретает выпрямляющее свойство,
отрицательно влияющее на формирование сварных швов и работу
источников питания. Это свойство выражается в различии величин
напряжения и тока дуги в соседних полупериодах (рис. 2-6).
Так, при сварке алюминия вольфрамовым электродом в среде
аргона напряжение дуги длиной 4 мм в тот полупериод, когда
катодом является вольфрам, равно 12 В. В другом полупериоде,
когда катодное пятно располагается на алюминиевом изделии,
напряжение повышается до 22 В. Это вызывает соответствующее
уменьшение тока.
Выпрямляющее свойство описанных дуг определяется разли-
чием температур кипения катодов, от которых, в свою очередь,
зависят разность температур ДТ и катодные напряжения UK дуг
[см. уравнение (2-9)]. Так, при расположении катодного пятна
на вольфраме, температура поверхности которого достигает
3500 К, разность температур ДТ в катодной области дуги в парах
алюминия (U{ = 5,95 эВ) будет 2260 К. Когда же катодное пятно
находится на алюминии, кипящем при температуре 2333 К, то
разность температур в катодной области ДТ будет 3427 К- По
I д	Uj
Рис. 2-6. Осциллограмма тока и напряжения дуги при сварке вольфрамовым
и алюминиевым электродами
43
уравнению (2-6) приведенное различие в разности температур
обусловливает различие в катодных падениях напряжения на 9 В.
Сжатые дуги. При ограничении области существования дуги
в радиальном направлении применением электродов малых диа-
метров или специальных ограничивающих сопл она приобретает
новые свойства, отражаемые названием «сжатая дуга». Сжатие
столба соплом уменьшает площадь анодного пятна и зону его
блуждания, что приводит к концентрации энергии на аноде и
увеличению глубины его проплавления. Струя плазмы, истека-
ющая из сопла, повышает также давление на жидкий мёталл ванны
и вызывает увеличение глубины проплавления анода. Однако
при некоторых критических скоростях струй жидкий металл
выдувается и сварка становится невозможной. Зато интенсивно
протекает процесс разделительной резки, имеющий важное зна-
чение в промышленности.
Мощность Ра, затрачиваемая на нагрев и плавление анода,
складывается из мощности ((/а + Us) /д, передаваемой дугой
активному пятну, и мощности Рп, передаваемой аноду струей
плазмы: Ра = ((7а + UB) /д + Ра.
§ 2-2. Шлаковая ванна
Шлаковой ванной называют объем жидкого шлака,
в котором при сварке электрическая энергия преобразуется в теп-
ловую. Вместе с тем шлаковая ванна защищает расплавленный
металл от воздействия кислорода и азота воздуха, растворяет
окислы и загрязнения на поверхности основного и электродного
металлов и в некоторых случаях легирует металл шва. По хими-
ческому составу шлаковая ванна обычно представляет собой рас-
плав различных окислов или солей.
В отличие от дугового разряда при электрошлаковых процессах
нет явно выраженных приэлектродных областей. Ток переходит
с электрода в шлаковую ванну сразу после того, как на его по-
верхности растворятся окислы. Обычно это происходит на глу-
бине около 1 см от поверхности ванны. Еще несколькими милли-
метрами глубже начинается плавление электрода. Оно заканчи-
вается на глубине 20—30 мм в зависимости от скорости подачи
электрода. Оплавляемый конец электрода все время сохраняет
коническую форму, точнее форму параболоида вращения (рис. 2-7).
Электродный металл переносится в ванну каплями. Частота
переноса капель возрастает с возрастанием скорости подачи элек-
трода. При большой скорости подачи электрода, низком напряже-
нии и малой глубине шлаковой ванны капли металла могут со-
единяться с металлической ванной раньше, чем отделятся от
электрода. Такое металлическое соединение электрода с ванной
существует очень короткое время; оно почти мгновенно разру-
шается под действием электродинамических усилий, возника-
ющих в проводнике и резко увеличивающихся с возрастанием
44
плотности тока. Однако вследствие большой частоты замыканий
(несколько сотен в секунду) среднее время прохождения тока
через металл может составлять значительную долю общего вре-
мени сварки. Это явление не носит характера короткого замыка-
ния Обшая проводимость зоны сварки в момент замыкания воз-
растает всего в 1,5—1,7 раза. Мощность в зависимости от харак-
теристики источника питания или изменяется незначительно,
или несколько возрастает.
В отличие от дуговой сварки под флюсом при электрошлаковой
сварке почти вся электрическая мощность передается шлаковой
ванне, а от нее — электроду и основному металлу. Условием
стабильности процесса является постоянство температуры шла-
ковой ванны, иначе говоря, равенство получаемой и отдаваемой
ею теплоты. На рис. 2-8 показаны примерные зависимости выде-
ляемой в шлаке и отдаваемой им мощности от средней температуры
шлаковой ванны. При низких температурах кривая отдаваемой
мощности всегда лежит выше кривой выделяемой мощности, так
как теплоотдача происходит при всех температурах, превыша-
ющих температуру окружающей среды, а заметное выделение
мощности в шлаке начинается при температуре, близкой к 1000° С.
Характер кривой отдаваемой мощности зависит от геометри-
ческих размеров полости, некоторой происходит сварка; глубины
шлаковой ванны; коэффициентов теп-
лопередачи от шлака к основному
	металлу и к охлаждающим устрой-
ствам; характера плавления основ-
ИК	, ного металла; мощности, расходуе-
ИЦ	мой на испарение летучих компонен-
*	тов шлака; количества подаваемого
в зону сварки присадочного металла
	и других факторов.
2-8. Влияние средней температуры
шлаковой ванны на выделяе-
мую (--------) в шлаке и отдавае-
мую (--------) мощность
Рис. 2-7.	Рис.
Форма конца проволочного
электрода при электро-
шлаковой сварке:
о — напряжение сварки 39 В,
б напряжение сварки 43 В
45
На характер кривой выделяемой мощности влияют зависи-
мость электропроводности шлака от температуры, внешняя харак-
теристика источника питания и глубина погружения электрода
в шлак. В том случае, когда кривые выделяемой и отдаваемой
мощности не пересекаются, процесс вообще невозможен (кривая а).
Если кривые пересекаются в одной точке (кривая б), то процесс
не может быть устойчивым: влево от точки пересечения (точка Л)
температура и мощность будут непрерывно падать, а вправо —
расти. При наличии второй точки пересечения (точки Б на кри-
вой а) процесс будет устойчивым.
Кривая б получается при жесткой характеристике источника
питания и размерах межэлектродного пространства, мало или
медленно изменяющихся с температурой ванны. Это бывает при
большом сечении расплавляемого электрода, особенно когда оно
соизмеримо с сечением образующегося шва. Чтобы получить
кривую в, нужно либо уменьшить жесткость характеристики
источника, либо изменить характер зависимости проводимости
ванны от температуры.
С повышением температуры растет удельная электропровод-
ность шлака, но уменьшается глубина погружения электрода, что
снижает проводимость ванны. Этот фактор действует тем сильнее,
чем меньше сечение плавящегося электрода, так как при малых
сечениях электрода изменение линейных размеров больше при
том же изменении количества расплавляемого металла. При малом
сечении электрода изменения формы межэлектродного простран-
ства достаточно для стабилизации температуры ванны Процесс
идет устойчиво даже при совершенно жесткой характеристике
источника питания и пазличных составах шлаковой ванны.
Вследствие вертикального положения оси шва поверхность
металлической ванны оказывается расположенной ниже места
плавления кромок (рис. 2-9). Расплавленный металл стекает
вниз. Кромки 2 свободно омываются горячим шлаком 3 и интен-
сивно плавятся. Благодаря интенсивному перемешиванию шлака
плавление кромок происходит на большем расстоянии от элек-
трода 1, чем это возможно при дуговой сварке. Более раннему
плавлению свариваемых кромок способствует также интенсивный
подвод теплоты от металлической ванны 4, показанный на рис. 2-9
стрелками. В результате удаленный от кром-
ки основной металл плавится несколько
раньше, чем сама кромка.
Практическим следствием этих особенно-
стей является малый расход флюса, соста-
вляющий, с учетом потерь на рассыпание,
в среднем 5% массы наплавленного ме-
талла, и малый расход электрической энер-
гии на 1 кг наплавленного металла — в 1,5—
Рис. 2-9. Форма шлаковой ванны
46
2 раза меньше, чем при дуговой сварке. Еще более важным ре-
зультатом этих особенностей является возможность осуществле-
ния однопроходной сварки металла толщиной до 150—200 мм на
один электрод, а при большем числе электродов — металла прак-
тически неограниченной толщины.
При сварке проволокой значительная часть теплоты выде-
ляется вследствие омического сопротивления электрода между
местом токоподвода и концом электрода. При сварке плавящимся
мундштуком или пластиной эта доля значительно меньше. Основ-
ная часть теплоты выделяется в сопротивлении растекания шла-
ковой ванны. При большой скорости подачи сварочной прово-
локи много теплоты может выделяться при кратковременных замы-
каниях электрода с ванной через капли жидкого металла.
Наилучшие условия для получения глубокой шлаковой ванны
обеспечиваются при вертикальном положении оси шва. Поэтому
при электрошлаковой сварке используют обычно принудительное
формирование. Сущность принудительного формирования состоит
в искусственном охлаждении свободной поверхности металличе-
ской ванны. На рис. 2-10, а показан теоретический случай, когда
обмен теплоты через свободную поверхность металлической ванны
отсутствует. Рис. 2-10, б соответствует наличию подогрева метал-
лической ванны расплавленным шлаком, как это бывает при
сварке под флюсом. Если изменить направление теплоотвода
на обратное, как показано на рис. 2-10, в, то ванна примет чаше-
образную форму. Такая форма позволяет производить сварку
при вертикальном положении оси шва.
Охлаждение производится обычно с помощью медных пластин,
в свою очередь охлаждаемых проточной водой. Для введения
электрода в пространство между кромками необходимо, чтобы
хотя бы с одной стороны охлаждающаяся поверхность передви-
галась вверх вдоль шва по мере его образования. Такое скользя-
щее устройство называется ползуном. Ползун является одно-
временно устройством, удерживающим шлаковую ванну от выте-
кания.
Важнейшими требованиями к шлакам для электрошлаковой
сварки являются высокая температура кипения и отсутствие
газообразования при нагреве до высоких температур. Некоторые
шлаки кипят спокойно, без бурного выделения газов. Такое кипе-
Рис. 2-10. Зависимость формы металлической ванны от направления тепло-
отвода
47
Рис. 2-11. Зависимость электропроводно-
сти флюса АН-8 от темпера-
туры
ние, если оно не слишком интен-
сивно, не мешает процессу сварки,
а, наоборот, служит хорошим ре-
гулятором температуры ванны,
поглощая излишек энергии при
повышении температуры. При
прохождении электрического тока
через шлак не происходит такого интенсивного выделения
газов, сопровождающегося разбрызгиванием, как при дуговой
сварке.
При установившемся электрошлаковом процессе разбрызги-
вания не происходит вовсе. Это позволяет вести сварку с откры-
той поверхностью шлаковой ванны. Подача флюса в ванну огра-
ничивается очень небольшим количеством, равным количеству
отлагающейся на поверхности шва шлаковой корки толщиной
1—1,5 мм. Это составляет всего 2—3% массы наплавленного
металла. Благодаря малому количеству расплавляемого флюса
хорошо используется электрическая энергия.
Поскольку основное назначение шлаков для электрошлаковой
сварки — преобразование электрической энергии в тепловую,
то и основной их характеристикой является электропроводность
и ее зависимость от температуры. Электропроводность расплав-
ленных шлаков резко повышается с ростом температуры, ниже
определенной температуры они практически являются непровод-
никами (рис. 2-11). Это обстоятельство усложняет стабилизацию
процесса.
Из химических веществ, устойчивых в жидком состоянии при
температурах, превышающих температуру плавления сталей,
наиболее стойкими являются различные соли, в первую очередь
фториды и хлориды щелочных металлов. При температурах
1000—2000° С они дают расплавы, полностью диссоциированные
на одно- и двухзарядные ионы. Такие расплавы при температурах
плавления стали имеют проводимость порядка нескольких
ом- хсм" х, обеспечивающую выделение достаточной для плавления
черных металлов мощности при практически приемлемых напря-
жениях на электродах (порядка нескольких десятков вольт).
Из однокомпонентных расплавов применяются фтористый каль-
ций CaF2 для сварки сталей и фтористый натрий NaF для сварки
и наплавки меди и ее сплавов.
Одним из недостатков чистого CaF2 является его высокая
электропроводность, вследствие которой нужная температура
ванны и мощность достигаются при напряжении на электродах
ниже 30 В и сравнительно больших токах. Это требует повышения
сечения токоподводящих проводов и токоведущих частей самого
48
аппарата. Кроме того, расплав чистого фтористого кальция очень
текуч, а это затрудняет удержание шлаковой ванны. Чаще при-
меняются многокомпонентные шлаки, в состав которых входят
CaO, MnO, CaF2 и другие соединения (см. гл. 7).
§ 2-З.^Электронный^луч
Электронным лучом (пучком) называют острофокус-
ный поток ускоренных электронов. Поток электронов, эмитирован-
ный катодом, ускоряется в вакууме разностью потенциалов между
катодом и анодом, а затем фокусируется в пятно малых размеров
(диаметр от сотых долей до нескольких миллиметров).
При торможении ускоренных электронов вблизи поверхности
металлического тела их кинетическая энергия превращается
в тепловую. Чем больше плотность мощности в месте торможения
пучка, тем достигается больший локальный разогрев. По концен-
трации мощности электронный пучок уступает лишь лучу опти-
ческого квантового генератора (табл. 2-2).
Открытие термоэлектронной эмиссии, использование магнит-
ных и электростатических аксиально-симметричных полей для
фокусировки электронных пучков, развитие вакуумной техники —
основные вехи на пути развития электроннолучевой сварки.
Промышленное применение электроннолучевой сварки началось
в конце 50-х годов нашего столетия.
В зависимости от ускоряющего напряжения и свойств металла
электроны могут проникать в вещества на глубину нескольких
десятков микрометров. Электрон испытывает многократные столк-
новения и теряет энергию, причем меняются скорость и направ-
ление его движения. Угол вероятного отклонения электрона
после соударения возрастает с уменьшением скорости электрона,
в результате на конечном участке пути электрон растрачивает
основную часть своей энергии. Таким образом, электронный на-
грев происходит в самом веществе в отличие от обычных, широко
Таблица 2-2
Сравнительные характеристики источников сварочного нагрева
Источник теплоты	Наименьшая пло- щадь пятна иагрева, см2	Наивысшая плот тость мощности в пятне, Вт/см2
Кислородно-ацетиленовое пламя . . .	МО'2	5-10*
Электрическая дуга 		1.10-3	1.106
Электронный луч Световой луч оптического квантового	ыо-’	5-10s
генератора ...	...	1.10-’	1.10е
4 Заказ № 782
49
применяемых в сварке источников Теплоты, нагревающих по-
верхности металла. Наиболее интенсивное тепловыделение на-
блюдается на глубине пробега электрона.
Сварочная ванна испытывает реактивное воздействие испа-
ряемого металла, теплового и рентгеновского излучения, воздей-
ствие потока электронов, а также давление отдачи вторичных
и тепловых электронов. Сила давления испаряемого металла со-
ставляет основную часть общего силового воздействия на ванну,
ее величина может достигать нескольких граммов.
Электронный луч с требуемыми свойствами формируется
в электронной пушке. Для фокусировки электронного луча зна-
чительной мощности в пятно возможно меньшего сечения сводят
к минимуму влияние погрешностей электронной оптики, взаим-
ного отталкивания электронов в пучке, тепловых скоростей элек-
тронов, рассеивания электронов на молекулах остаточных и
выделяющихся в процессе сварки газов и паров. Добиваются
сохранения высокой удельной мощности пучка на большом рас-
стоянии от пушки.
В каждой электроннолучевой пушке указанные условия фор-
мирования сварочных электронных пучков обеспечиваются в раз-
личной степени в зависимости от предъявляемых к ней требова-
ний. В первых пушках для электроннолучевой сварки пучок
электронов формировался только с помощью прикатодного элек-
трода, без применения дополнительных фокусирующих систем
(рис. 2-12, а). Анодом пушки являлось само изделие. Такая одно-
каскадная электростатическая система фокусировки не может
обеспечить формирования интенсивного электронного пучка с вы-
сокой плотностью энергии. Поэтому с ее помощью возможно соеди-
нение металлов сравнительно небольшой толщины (1—2 мм).
Близость прожектора в зоне сварки повышает опасность электри-
ческих пробоев. Технологические и электроннооптические харак-
теристики пушки с однокаскадной электростатической фокуси-
ровкой повышаются при введении в конструкцию ускоряющего
электрода, имеющего потенциал изделия (рис. 2-12, б). При этом
уменьшается возможность электрических пробоев и разрядов,
а для питания пушки можно использовать даже невыпрямленное
ускоряющее напряжение.
Наиболее широко для формирования сварочных пучков элек-
тронов применяется комбинированная электростатическая и элек-
тромагнитная фокусировка. В пушках с комбинированной фоку-
сировкой пучка прожектор, состоящий из катода, прикатодного
электрода и ускоряющего электрода-анода, формирует сходя-
щийся пучок электронов. Минимальное сечение пучка проекти-
руется (обычно с уменьшением) на свариваемое изделие с помощью
электромагнитной фокусирующей системы (рис. 2-12, в).
Сварочные пушки можно разделить по величине ускоря-
ющего напряжения на три основных класса: 1 — низковольтные
(Пуск = 5-ъЗО кВ); 2 — с промежуточным ускоряющим напря-
50
Рис. 2-12. Электроннооптические системы сва-
рочных пушек:
а — однокаскадная си-
стема без ускоряющего
электрода,
б — то же с ускоряющим
электродом (анодом),
в — система с комбини-
рованной фокусировкой,
/ — катод.
2 — прикатодяый элек-
трод,
3 — траектории крайних
электрон ов,
4 — изделие;
5 — анод,
6 — кроссовер;
7 — фокусирующая маг-
нитная лииза,
8 — система отклонения
пучка;
9 — фокальное пятно;
а0 «1 — угловая
апертура пучка
жением (Пуск = 40—60 кВ) и 3 — высоковольтные (Пуск =
= 80-v 200 кВ). Мощность пучков лежит в пределах 0,3—100 кВт.
Пучки электронов, эмитированные термокатодами, формируются
в высоком вакууме (10-4—10"5 мм рт. ст.). В газоразрядных пуш-
ках и пушках с холодным катодом вакуум составляет 10" 1—
10- 2 мм рт. ст.
Основными требованиями к пучку электронов являются до-
статочно большая плотность энергии в пятне нагрева wn и малый
угол сходимости пучка на изделии. Эти требования удовлетво-
ряются в большей мере при высокой энергии электронов:
г«еЛ — ток пучка.
4*
,1/4,,7/4
^П 'П Uуск!
I
л 8
CCj U уСК ,
51
В то же время защита обслуживающего персонала от рентге-
новского излучения, возникающего при торможении электронов
на изделии, усложняется с ростом энергии электронов. Сложнее
становятся сама пушка и ее источник питания.
§ 2-4. Лазерное излучение
Оптическое излучение, т. е. инфракрасная, видимая
и ультрафиолетовая области спектра электромагнитного излуче-
ния, представляет известный интерес при сварке как источник
нагрева. Такой источник — бесконтактный, и поэтому сварку
можно вести в прозрачных для данного излучения средах или
в закрытых баллонах. Весьма важно также, что в зону нагрева
не вносятся примеси других веществ.
Несмотря на перечисленные преимущества, до недавнего вре-
мени сварку с использованием оптического излучения не приме-
няли из-за отсутствия источников с высокой яркостью света.
Применение света для сварки стало практически возможным с соз-
данием оптических квантовых генераторов (ОКГ, лазеров), яр-
кость которых чрезвычайно высока. Создаваемая ими плотность
тепловой мощности в зоне облучения достаточна для расплавления
(и испарения) всех известных материалов, что позволяет решать
многие сварочные задачи технически и экономически более эффек-
тивно, чем другими существующими методами.
В настоящее время созданы лазерные устройства импульсного
и непрерывного действия, обеспечивающие достаточную для плав-
ления металлов мощность. Установки импульсного действия раз-
работаны еще в начале 60-х годов, тогда как лазеры непрерывного
режима высокой мощности (лазеры на углекислом газе) созданы
лишь недавно. Поскольку разработка аппаратуры и технологии
непрерывной лазерной сварки еще не вышла из стадии лаборатор-
ных испытаний, то предметом рассмотрения будет только импульс-
ная лазерная сварка.
Принципиальная оптическая схема лазерной сварочной уста-
новки показана на рис. 2-13. Стержень активного материала 1,
например рубина, и импульсная лампа накачки 2 размещены
в зеркальной полости осветителя 4. Электрическая энергия, на-
копленная в батареях конденсаторов, преобразуется лампой 2
в световую. Чтобы увеличить длительность импульса или сформи-
ровать его, в батарею конденсаторов включают индуктивности
(наиболее часто применяют однородные длинные линии). Под
воздействием света лампы накачки активный материал переходит
в состояние, в котором он способен усиливать и генерировать свет
определенной длины волны.
Для улучшения условия генерации стержень активного ве-
щества помещают между двумя высококачественно отъюстирован-
ными по отношению к его оси зеркалами 3, которые совместно
со стержнем образуют резонатор ОКГ. Для вывода излучения
52
Рис. 2-13. Оптическая схема лазерной сварочной установки
из полости резонатора одно из зеркал должно быть полупрозрач-
ным. Вышедший из резонатора световой пучок собирается линзой 5.
В плоскости, где поперечные размеры пучка наименьшие, а сле-
довательно, имеет место наиболее высокая плотность мощности,
располагают свариваемые детали. Поскольку обычно их размеры
малы, лазерная сварочная установка снабжена микроскопом 6.
Для повышения частоты срабатывания установки (повышения
производительности) стержень и лампа охлаждаются потоком
воды.
Основными характеристиками лазерного излучения, имеющими
значение для сварки, являются расходимость излучения, опре-
деляющая размеры пятна после фокусировки, мощность и ее
временная зависимость, а также длительность импульса. Благо-
даря малой расходимости излучения можно получать диаметр
пятна после фокусировки размером до нескольких сотых долей
миллиметра. Наиболее часто в сварочных установках применяют
генераторы, излучающие свет с энергией до 10—50 Дж при дли-
тельности импульса до 10 мс. При этом плотность мощности в пятне
достигает значений 108 Вт/см2.
Вследствие высокой тепловой мощности в зоне сварки для со-
единения деталей требуется минимальное количество теплоты.
Это обусловливает малую зону нагрева и высокую локальность
сварки.
Мощность светового потока, падающего на облучаемую зону,
должна быть достаточной, чтобы сварить детали, и вместе с тем
не быть очень большой, чтобы испарение металла из зоны нагрева
не превышало допустимого. Величина длительности импульса
должна быть такой, при которой обеспечиваются необходимая
глубина проплавления и оптимальное протекание металлургиче-
ских процессов для получения высококачественного соединения.
В случае сварки пластин толщиной менее 0,3 мм оптимальная
длительность импульса составляет I—8 мс. Мощность светового
потока и длительность импульса взаимосвязаны. Если требования
53
к размерам зоны нагрева нежесткие, всегда полезно увеличить
длительность и несколько уменьшить мощность импульса.
Для увеличения глубины проплавления желательно иметь
экспоненциально спадающий импульс света. При этом скорость
уменьшения интенсивности должна быть такой, чтобы поддержи-
вать максимально допустимую температуру облучаемой поверх-
ности. Однако в связи с техническими затруднениями в большин-
стве сварочных установок изменение импульса света близко
к прямоугольному.
Необходимо иметь в виду, что импульс излучения твердотель-
ных лазеров состоит из отдельных импульсов длительностью около
1 мкс с периодом следования в несколько микросекунд (т. е.
пичковая структура импульса). Наличие такой структуры при-
водит к превышению в несколько раз пиковых значений тепло-
вого потока в свариваемой детали по сравнению со средним его
значением. При этом могут быть легко созданы условия для интен-
сивного испарения металла. Действие пичковой структуры лазер-
ного излучения можно существенно ослабить, применив сфериче-
ский резонатор в ОКГ вместо плоскопараллельного. При опреде-
ленной геометрии сферического резонатора можно даже получить
беспичковую структуру излучения.
Рассмотрим тепловое воздействие света на металлы. Металли-
ческая поверхность поглощает часть падающего на него светового
потока, а другую часть отражает. Она безвозвратно теряется
для использования. Поглощение света металлом происходит
в тонком поверхностном слое толщиной в несколько длин волны.
Поглощенная доля светового потока называется поглощательной
способностью А. Она зависит от рода металла и состояния поверх-
ности — чистоты механической обработки и степени окисленности.
Для тщательно полированных металлических поверхностей А
изменяется от 0,05 для серебра до 0,3—0,5 для большинства ме-
таллов.
§ 2-5. Тепловые процессы при сварке
плавлением
Под тепловыми процессами при сварке принято под-
разумевать повышение температуры свариваемых изделий (и при-
садочного материала) под влиянием источников сварочного на-
грева, распространение теплоты по изделию и отвод ее в окружа-
ющую среду. Изменение температуры определяет, помимо явлений
плавления и кристаллизации металла, прохождение целого ряда
сопутствующих процессов в материале изделия — структурные
превращения, объемные изменения, упруго-пластические дефор-
мации и т. д. Эти процессы оказывают значительное влияние на
качество сварного соединения и всей конструкции в целом.
Значительные заслуги в разработке фундаментальных основ
теории тепловых процессов при сварке принадлежат главным
64
образом советским ученым и в первую очередь академику Н. Н. Ры-
калину.
Подводимая к свариваемому изделию (присадочному металлу)
теплота характеризуется величиной тепловой мощности и законом
распределения ее в пространстве и времени. Эти характеристики
во многом зависят от способа и условий сварки, формы соедине-
ния и других факторов. Рассмотрим эти вопросы применительно
к наиболее типичным способам сварки плавлением.
Дуговая сварка. Подводимая к сварочной дуге электрическая
энергия частично расходуется на протекающие в дуге процессы
(см. § 4), частично же отдается окружающей среде путем кон-
дуктивной, конвективной и радиационной теплоотдачи, светового
излучения, звуковых колебаний и т. п. Поскольку доля нетепло-
вых видов энергии в энергетическом балансе дуги сравнительно
невелика, дугу по праву считают преобразователем электрической
энергии в тепловую. Тепловую мощность дуги можно принимать
пропорциональной тепловому эквиваленту электрической энер-
гии, т. е.
q =
где U, I — соответственно средние значения падения напряжения
на дуге и силы тока в цепи; ф — коэффициент мощности или форм-
фактор. Наиболее вероятные значения коэффициента ф находятся
в пределах 0,8—-0,95.
Часть теплоты сварочной дуги бесполезно теряется в окру-
жающей среде, а большая часть идет на нагрев и плавление при-
садочного и основного металлов, электродного покрытия либо
флюса и на химические реакции в зоне сварки. Величина тепловой
мощности дуги, теряемой в окружающее пространство, как и ве-
личина <р, зависит от многих трудноучитываемых параметров
режима сварки. В связи с этим значения основных составляющих
теплового баланса дуги принято определять, пользуясь понятием
эффективного к. п. д., например, эффективный к. п. д. нагрева
изделия дугой т]и, нагрева электрода дугой 1%, нагрева флюса
дугой Т]ф и т. д.
Величины эффективных к. п. д. определяются обычно экспе-
риментальным путем и представляют собой отношение тепловой
мощности данной статьи теплового баланса к тепловому эквива-
ленту электрической энергии дуги. Калориметрическими опытами
установлено, что эффективный к. п. д. процесса нагрева изделия
сварочной дугой т]и зависит главным образом от условий ее горе-
ния (табл. 2-3).
Коэффициент т]и уменьшается с увеличением длины дуги и
повышается с увеличением скорости сварки и углублением дуги
в сварочную ванну. На величину т]и влияет и форма детали в зоне
сварки — так называемый геометрический фактор. Например,
при наплавке валика открытой дугой в разделку шва значения т]и
на 5—10% выше, чем при наплавке на плоскость. Повышение т]и
55
Таблица 2-3
Значения т|и для различных сварочных дуг
Способ сварки
Под флюсом............................................
Плавящимся электродом с качественным покрытием........
В углекислом газе ....................................
В углекислом газе с порошковой проволокой.............
В аргоне неплавящимся электродом .....................
В аргоне плавящимся электродом .......................
Вибрирующим электродом в струе жидкости ..............
0,80—0,95
0,70—0,85
0,58—0,72
0,70—0,85
0,50—0,60
0,70—0,80
0,60—0,70
при углублении дуги в сварочную ванну связано с улучшением
теплообмена между дугой и изделием, а также с уменьшением по-
терь теплоты с разбрызгивающимся электродным материалом.
Опыт показывает, что в дугах, мало погруженных в металл
изделия, скорость плавления электродов не зависит от длины
дуги. Это означает, что плавление происходит главным образом
за счет энергии, получаемой электродами от примыкающих к ним
областей дуги и потенциальной энергии электронов. В этих слу-
чаях к. п. д. дуги приближенно может быть найден из соотношения
Т]и==^к±^>	(2.10)
иД
где £7К, Ua и UR — падения напряжения в катодной области, анод-
ной области и общее падение напряжения дуги соответственно.
Дуги, сильно погруженные в металл изделия (например, при
сварке под флюсом), нагревают и плавят металл частично и энер-
гией столба Д£7С, поэтому их к. п. д.
Расчет по уравнению (2-10) для большинства открытых дуг
длиной 3—6 мм дает к. п. д. 50—65%. При полном погружении
дуги, когда потери излучения столба возможны только через за-
зоры между поверхностью ванны и стержневым электродом,
к. п. д. по уравнению (2-11) оценивается примерно в 75—85%.
Теплота, затрачиваемая дугой на нагрев электрода, флюса
или защитного газа (жидкости), также во многом зависит от ха-
рактеристики дуги, условий и режима сварки. В табл. 2-3 при-
ведены отдельные данные для этих величин, дающие представле-
ние о количестве теплоты, расходуемой дугой на нагрев электрода,
флюса и защитного газа.
Характерно, что сумма всех эффективных коэффициентов (с уче-
том т]и), как правило, заметно больше единицы (за исключением
сварки неплавящимся электродом). Это связано с наличием не-
бе
Таблица 2-4
Значения эффективного к. п. д.
для различных составляющих теплового баланса дуги
Статья теплового баланса дуги		Источник информации
Нагрев электрода (i -> э) 	 Нагрев флюса (i -> ф)	 Нагрев защитного газа (i -> г) ...	0,20—0,40 0,10—0,20 0,05—0,15	А. А. Ерохин Н. Н. Рыкалин Д. Вилкинсон и Д. Мил- нер
прерывного теплообмена между отдельными потребителями теп-
ловой энергии сварочной *дуги. Например, для случая сварки
плавящимся электродом под флюсом теплота, затраченная на на-
грев электрода и флюса, участвует затем в нагреве основного
металла, что в определенной степени оказывает влияние на ха-
рактер ввода теплоты сварочной дуги в изделие. Согласно наи-
более распространенной схеме, теплота непосредственно пере-
дается изделию через эффективное пятно дуги, конвективными
потоками плазмы вдоль столба дуги и радиационным излучением.
Распределение удельного теплового потока q таких дуг прибли-
женно можно выразить кривой Гаусса (нормальным законом рас-
пределения):
Ч = qmt~kr‘,
где qm — наибольший тепловой поток в центре пятна, Вт/см2;
k— коэффициент сосредоточенности источника, 1 /см2; г—• радиаль-
ное расстояние от оси дуги, см.
Наиболее близко такой схеме соответствуют дуги сравнительно
небольшой мощности при сварке покрытыми электродами с не-
большим количеством шлакообразующих в покрытии, а также дуги
с неплавящимся электродом, горящие в среде аргона. При сварке
мощными дугами электродами с качественным покрытием либо
под флюсом значительная часть теплоты вводится в изделие через
присадочный материал, шлак или флюс (см. рис. 2-14), что приво-
дит к существенно более сложному распределению теплового по-
тока.
Электрошлаковая сварка. Выделение теплоты при электро-
шлаковом процессе происходит в результате прохождения электри-
ческого тока через расплавленный шлак. Выделяемое в шлаковой
ванне в единицу времени количество теплоты q0 пропорционально
тепловому эквиваленту подводимой электрической энергии. Дру-
гие источники теплоты столь невелики, что ими можно пренебречь.
Эффективная мощность источника теплоты при электрошлаковой
сварке всегда меньше q0, так как она не включает часть теплоты,
теряемой шлаковой ванной на теплоотдачу в окружающую среду
И в формирующее устройство (рис. 2-15). Теплота поступает в из-
57
Рис. 2-14. Схема ввода теплоты в изделие сварочной дугой:
а — открытая дуга небольшой мощности; б — дуга большой мощности под слоем
флюса
делие с расплавленным электродным металлом и в результате
конвективного теплообмена между шлаковой ванной и поверх-
ностью основного металла.
Перенос теплоты в ванне приближенно можно представить
следующей схемой. Сварочный ток в основном проходит через зону
шлаковой ванны, ограниченную усеченным конусом, верхнее
основание которого имеет диаметр электрода (активный конус
шлаковой ванны). Максимальная температура этой зоны более
2000° С. По мере приближения к металлической ванне температура
активной зоны несколько снижается вследствие уменьшения плот-
ности тока и наличия интенсивных конвективных потоков.
Металлическая ванна аккумулирует значительную долю теп-
лоты, выделяемой в шлаковой ванне. Таким образом, по сравнению
с дуговой сваркой при электрошлаковой сварке в передаче теп-
лоты от источника нагрева к основному металлу участвуют зна-
чительные массы жидкой среды (расплавленного шлака и металла),
распределение теплоты в которой в большой степени определяется
конвективными потоками.
Рис. 2-15. Тепловой баланс электро-
шлаковой сварки стали тол-
щиной ~100 мм:
1	— плавление проволоки,
2	— плавление основного ме-
талла,
3	— потери на излучение;
4	— нагрев кромок излуче-
нием;
5	— перегрев металла ванны;
6	— нагрев ползунов шлаком,
7	— нагрев ползунов метал-
лом
58
Электроннолучевая сварка. Энергия илй мощноМь электрон-
ного луча, выходящего из электромагнитной системы Ц7Св, может
быть представлена в виде суммы
^св=^о.с+^и,
где 1FO с — потери теплоты в оптической системе; — энергия,
подведенная к изделию и составляющая примерно 75—90%*
всей подводимой энергии 1ГСв.
Энергия IFCB равна
^св =
где I — сила тока пучка электронов, мА; U — ускоряющее напря-
жение, кВ.
Эффективность нагрева изделия существенным образом зависит
от уноса энергии, обусловленного испарением материала изделия,
отражением излучения в окружающую среду, вторичной и термо-
электронной эмиссией электронов, а также электромагнитным из-
лучением. Электроннолучевая сварка характеризуется весьма
малыми размерами пятна нагрева (до 10~5 мм2), значительно мень-
шими, чем у сварочной дуги (около 1 мм2). С увеличением плот-
ности подводимой энергии возрастают потери теплоты, связанные
с испарением металла в зоне нагрева. Это определяет границу
предельной интенсивности для электронного луча при сварке
плавлением примерно в пределах 102—104 кВт/см2.
Характерным для электроннолучевой сварки является глу-
бинный подвод тепловой энергии к свариваемому изделию. По-
следнее объясняется свойством электронов луча проникать на
определенную глубину (пробег электрона), теряя энергию на всем
пути торможения. Значительное влияние на глубинный характер
источника нагрева при электроннолучевой сварке оказывает дав-
ление луча, способствующее вытеснению жидкого металла из зоны
активного пятна. Давление луча на жидкий металл в 5—10 раз
превышает давление дуги при аргоно-дуговой сварке в сходных
условиях и обусловливается испарением металла.
Сварка лазерным лучом. Эффективный к. п. д. нагрева изделия
при лазерной сварке весьма невелик, что вызвано главным образом
низким к. п. д. лампы накачки и кристалла рубина. Баланс энер-
гии лазера при сварке ясен из рис. 2-16.
Рассмотренные выше источники теплоты являются наиболее
характерными, однако далеко не исчерпывают возможных типов
источников, используемых при сварке плавлением. При сварке
плавлением теплота не только подводится к изделию, но и непре-
рывно отводится от него. Это происходит за счет естественных
и искусственных стоков теплоты. Естественными являются стоки
теплоты, связанные с излучением и конвекцией от нагретой по-
верхности изделия в окружающую среду. Искусственные стоки
осуществляются путем специальных технологических мер, заклю-
чающихся, например, в создании интенсивного конвективного
59
Рис. 2-16. Тепловой баланс лазера:
1	— потери в лампе накачки;
2	— потери в оптической си-
стеме;
3	— потери иа унос материала
и отражение лучей;
4	— полезная энергия иа про-
плавление материала
теплообмена между определен-
ными участками поверхности
изделия и охлаждающей жидкой
либо газообразной средой.
При теплообмене излучением
теплота переносится между уда-
ленными друг от друга нагревае-
мой деталью ?и окружающими
предметами посредством электромагнитного излучения в соответ-
ствии с законом Стефана-Больцмана, т. е. тепловой поток про-
порционален разности четвертых степеней абсолютных темпера-
тур поверхностей, участвующих в теплообмене. При конвективном
теплообмене теплота с поверхности изделия уносится жидкостью
или газом, движение которых создается принудительно, а при
естественной конвекции это движение обусловлено различием
в плотности нагретых и ненагретых объемов.
Величину теплового потока конвективного теплообмена
между поверхностью тела с температурой Т и охлаждающей средой
с температурой Tz оценивают по правилу Ньютона:
9к = ак(Г-Тс),	(2-12)
где ак — коэффициент конвективной теплоотдачи, определяе-
мый экспериментально.
В обычных условиях сварки при отсутствии заметных воздуш-
ных потоков величина ак составляет примерно 0,002—
0,005 Вт/см2° С. Выражение (2-12) часто используют и для описа-
ния общей суммарной теплоотдачи с поверхности изделия путем
лучеиспускания и конвекции. Это возможно, поскольку погреш-
ность от такого описания существенно проявляется только в зоне,
нагретой выше 700—800’ С, где радиационные тепловые потоки
значительно превышают конвективные. При температурах поверх-
ности 400° С и ниже роль лучеиспускания в теплоотдаче по сравне-
нию с конвекцией невелика.
Распространение теплоты в изделии происходит преимуще-
ственно по законам теплопроводности, хотя определенное влия-
ние на перенос теплоты вблизи сварочной ванны оказывают кон-
вективные потоки в жидком металле. Их роль тем сильнее, чем
больше объем сварочной ванны.
Конвективные потоки в жидком металле сварочной ванны при-
водят к достаточно сложным перераспределениям подводимой
тепловой мощности в пространстве и времени. Для понимания
60
особенностей распространения теплоты в изделии разъясним сущ-
ность принципов местного и временного влияния. В соответствии
с принципом местного влияния характер распределения теплоты
в теплопроводящем теле в пределах некоторой области с харак-
терным размером а практически не оказывает влияния на темпе-
ратуру в зоне, удаленной от центра указанной области на расстоя-
ние больше (2-3) а. Принцип временного влияния утверждает
следующее: «характер распределения тепловой мощности во вре-
мени на отрезке AZ = Д — tr оказывает незначительное влияние
на температуру теплопроводящего тела, обладающего достаточно
высокой теплоемкостью, для времени t > t2 + (2-4-3) AZ».
На основе указанных принципов местного и временного влия-
ния можно считать, что особенности тепло- и массопереноса в жид-
ком металле сварочной ванны, так же как и кратковременные от-
клонения эффективной мощности источника от среднего значения,
оказывают ограниченное влияние на температурное поле и только
в основном вблизи мгновенного положения сварочной ванны.
Анализ температурного поля в изделии при движении источ-
ника сварочного нагрева обычно принято производить в системе
пространственных координат, перемещающейся с источником сва-
рочного нагрева. Это удобно, поскольку через некоторый период
времени от начала движения при постоянной скорости и эффектив-
ной тепловой мощности сварки наступает так называемое квази-
стационарное состояние, когда подвижное температурное поле
практически не меняется.
Длительность наступления квазистационарного состояния
(длительность периода теплонасыщения) зависит от скорости
сварки, расстояния рассматриваемого объема от источника на-
грева и интенсивности отвода теплоты от него. Период теплона-
сыщения сокращается с уменьшением расстояния от источника
нагрева, увеличением скорости сварки и теплопроводности мате-
риала, ростом массы изделия и интенсивности отдачи теплоты
в окружающую среду, а также с уменьшением теплоемкости мате-
риала. На рис. 2-17 и 2-18 приведены изолинии температурного
поля предельного (квазистационарного) состояния в тонкой пла-
стине в зависимости от режима сварки (рис. 2-17) и теплофизи-
ческих свойств материала (рис. 2-18).
Результаты исследования такого типа данных показывают
следующее. При постоянной эффективной мощности соответствую-
щие определенным температурам изотермы уменьшаются по длине
и ширине примерно пропорционально увеличению скорости
сварки V. С возрастанием эффективной мощности источника q
нагретые выше определенной температуры области увеличиваются
быстрее по длине, чем по ширине. Однако увеличение по ширине
опережает рост величин q. Одновременное увеличение q и v при
постоянной погонной энергии qlv сварки приводит в основном
к увеличению длины изотерм. Ширина изотерм также увеличи-
вается, но стремится к определенному пределу. Увеличение теп-
61
О
~20 -18	-16	-1У -12	-10	-8	-6 -О ~2
U х,см
	1 6000 Д^/с"						с>оо°						806							Jill	
у = 0,5 см/ с																					
						9°															
							/00 °C														
I
у, см
9
d = 200ОД*/с														т— 500^			200	°с '		
	0,1 см/с																			
														600°-			—			
														I						
I
о
Рис. 2-17. Влияние режима сварки на температурное поле квазистационар-
ного состояния в стальной пластине толщиной 1 см; X = 0,38 Вт/см,
су = 4,8 Дж/см3-град, а = 0,08 см2/с.
а — изменение скорости сварки о;
б — изменение мощности источника теплоты q,
в — изменение мощности и скорости при q/v = const
Рис. 2-18. Влияние теплофизических свойств материала на характер темпера-
турного поля в пластине толщиной 1 см, q = 4200 Вт, и = 0,2 см/с:
а — сталь низкоуглеродистая,
X, = 0,38 Вт/см*град,
а = 0,08 см2/с,
б — сталь хромоникелевая,
Х=0,25 Вт/см«град,
а = 0,053 см2/с,
в — алюминий, к=2,7 Вт/см*град,
а = 1,0 см2/с,
г — медь, X = 4,2 Вт/см* град,
а = 0,95 см2/с
лопроводности материала, при прочих равных условиях, спо-
собствует заметному укорочению изотерм и некоторому их су-
жению. Уменьшение теплоемкости металла су оказывает примерно
такое же влияние, как и уменьшение скорости сварки.
Для массивных тел влияние перечисленных параметров ре-
жима сварки и свойств материала на температурное поле квази-
стационарного состояния качественно такое же, как и при сварке
пластин. Однако, в отличие от сварки пластин, изменение скорости
сварки в основном влияет только на ширину изотерм, а не на их
длину.
Термический цикл. Изменение температуры данной точки тела
во времени называется термическим циклом. При однопроходной
сварке (наплавке) имеет место простой термический цикл, цока-
63
Рис. 2-19. Схемы сварочных циклов:
а — простого, б — сложного
занный на рис. 2-19, а. При многопроходной сварке термический
цикл сложный (рис. 2-19, б). Основными параметрами простого
термического цикла являются максимальная температура, ско-
рость нагрева и скорость охлаждения, а также длительность пре-
бывания материала выше заданной температуры. Эти характери-
стики зависят от режима сварки, теплофизических свойств мате-
риала, конфигурации изделия, условий его охлаждения, темпера-
туры предварительного подогрева.
Заметное влияние на термические циклы металла шва и около-
шовной зоны оказывает также и способ сварки, особенно, если
сравниваются электрошлаковая и дуговая сварка или же сварка
электронным лучом. На рис. 2-20 приведены характерные терми-
ческие циклы для околошовной зоны с максимальной температурой
нагрева 1300° С при сварке стального изделия. Кривая 1 отно-
сится к однопроходной электрошлаковой сварке пластин толщи-
ной 100 мм на режиме /св = 450 A, U = 38—40 В, v = 0,7 м/ч;
Рис. 2-20. Сопоставление термических циклов точек околошовной зоны
64
кривая 2 соответствует электро-
дуговой сварке под флюсом
стальной пластины толщиной
12 мм на режиме /св = 730 А,
U = 46 В, v = 40,5 м/ч (сварка
без разделки кромок с двух сто-
рон); кривая 3 соответствует
электроннолучевой сварке та-
кой же пластины на режиме
/св = 250 мА, U = 30 кВ; v =
=в24 м/ч. В табл. 2-5 приве-
дены данные о мгновенных ско-
ростях охлаждения при темпе-
ратуре 500° С и длительностях
выдержки металла (в рассматри-
ваемом участке околошовной
зоны Тшах = 1300° С) при тем-
пературах выше 1000° С для
Таблица 2-5
Сравнение термических циклов
сварки стальных пластин
толщиной 100 мм
Способ сварки	Мгновен- ная скорость охлажде- ния при 500° С, °С/с	Длитель- ность выдерж- ки при темпера- турах выше 1000° С, с
Электро- шлаковая	0,4	175
Дуговая под флюсом	4,3	14,5
Электронно- лучевая	40	1,5
указанных способов сварки.
Представление о влиянии теплофизических свойств материала
и массивности изделия на температурные циклы в околошовной
зоне дают кривые на рис. 2-21, а и б, относящиеся соответственно
к однопроходной дуговой сварке тонких пластин (б = 12 мм)
и многослойной дуговой сварке толстых пластин (б = 100 мм)
из перлитной (кривая /) и аустенитной (кривая 2) сталей при-
мерно на одном и том же тепловом режиме, характеризуемом ве-
личиной эффективной тепловой энергии q = 4050 кал/с и ско-
ростью сварки v = 16 м/ч.
Из этих данных следует, что снижение теплопроводности ма-
териала уменьшает скорость изменения температуры точек около-
а)	S)
Рис. 2-21. Сопоставление термических циклов точек околошовной зоны при
однопроходной сварке тонких пластин (а) и многопроходной сварке
толстых пластин (б) из перлитной стали (/) и аустенитной стали (2)
5 Заказ № 7§2
65
шовной зоны как на стадии нагрева, так и особенно на стадии охла-
ждения. Этот эффект несколько повышается с увеличением тол-
щины (массивности) свариваемых изделий. Значительное влияние
на температурные циклы точек околошовной зоны при одинаковом
режиме сварки оказывает массивность изделия.
Широкое применение для оценки основных параметров терми-
ческого цикла точек околошовной зоны получили расчетные ме-
тоды теории тепловых процессов при сварке. Подробное изложение
этих методов дано в специальной литературе. Ниже приведены
расчетные зависимости для двух характерных случаев сварочного
нагрева: тонкой пластины и массивного тела.
Тонкая пластина. Максимальные температуры Тшах в около-
шовной зоне на расстоянии у от центра шва могут быть прибли-
женно оценены с помощью следующей зависимости:
гр	, <7/0-0,478 /.	ау \2
шах — 1 0 + у.2у Д	Хб J ’
где То — начальная температура пластины; q/v — эффективная
погонная энергия; у — объемная теплоемкость; 6 — толщина пла-
стины; X — теплопроводность пластины; а —- коэффициент поверх-
ностной теплоотдачи.
Из рис. 2-24 следует, что при малых произведениях ау макси-
мальная температура прямо пропорциональна удельным тепло-
вложениям q/v8 и обратно пропорциональна теплоемкости и рас-
стоянию от оси шва. Мгновенная скорость охлаждения металла
шва и прилегающей околошовной зоны при данной температуре Т
о . (Т - Т0)з
w = — 2ллу -х .	.
1	(7/гб)2
Длительность пребывания металла шва выше заданной темпе-
ратуры Т приближенно можно оценить из выражения
/	1 f <7 V
н 4ла (Т — Tts)“ \ гбсу /
в зависимости от безразмерной
Для околошовной зоны (у 3 0) величину времени /н можно
оценить по номограмме на рис. 2-22, где приведено значение без-
размерного критерия т3 =
температуры •0г:

р_р
—-—vyySvn
(использована принятая в теории тепловых процессов индексация,
при которой индекс 1 относится к стержням, 2 — к пластине,
3 — к массивному изделию).
Массивное тело. Рассмотрим полубесконечное тело (г > 0).
Максимальные температуры в околошовной зоне на расстоянии
Рис. 2-22.
Номограмма для опре-
деления /2Н и /зн- Кри-
вая 1 соответствует за-
висимости т2Н от &3, а
2 —тзн от Ф3. При f>2<
< 0,24 можно использо-
вать зависимость t„a =
(q/vy8)2
“4ла(7 —То)2’ а При
Ф3 < 0,06 /зн =
2лХу (Т — То)
r=]/'x2jry2 от оси шва на поверхности тела (г = 0) прибли-
женно можно определить, используя зависимость
т — Т Л. °’368 . 2?
max 0 “Г лг2у у
В отличие от тонкой пластины в случае массивного тела макси-
мальные температуры обратно пропорциональны квадрату рас-
стояния от оси шва. Мгновенная скорость охлаждения металла
шва и прилегающей околошовной зоны при температуре Т
= —2л%- ^~Г°)2 ,	(2-13)
/7/71	7	4	’
т. е. в сходных условиях скорости охлаждения в массивном теле
превышают скорости охлаждения в тонкой пластине при темпе-
ратуре Т в п раз, где
п_________1____
~ vy^(T-T0) •
Длительность пребывания металла шва выше заданной темпе-
ратуры определяют из выражения, аналогичного зависимости
(2-13):
t =_______?____
и 2лЬ (Т — То) ‘
т. е. время /н в п!2 раз более короткое, чем для тонких пластин
в сходных условиях.
Для околошовной зоны (г + 0) время /и можно оценить по
номограмме на рис. 2-22, где приведено значение безразмерного
критерия т3 = —в зависимости от безразмерной температуры:
Л Т — Тп 2
Ф» = —~~ лгу.
3 2д	’
5*	67
При многослойной сварке или наплавке поверхностей смеж-
ными валиками тепловые воздействия отдельных слоев (соседних
валиков) складываются и создают сложный термический цикл для
точек околошовной зоны. Режим такой сварки является более
гибким, поскольку он содержит большее число независимых пара-
метров. Например, при многослойной наплавке режим содержит
три независимых параметра, варьируя которыми, можно регули-
ровать термические циклы в широких пределах. Такими пара-
метрами являются погонная энергия отдельных слоев, длина уча-
стка и температура дополнительного подогрева.
§ 2-6. Плавление и перенос электродного
металла при дуговой сварке
Характер плавления и переноса электродного ме-
талла оказывает большое влияние на производительность сварки,
взаимодействие металла со шлаком и газами; от него зависят
устойчивость горения дуги, потери металла, формирование шва
и другие технологические факторы.
Плавление электрода. Плавление электрода происходит глав-
ным образом за счет тепловой энергии дуги. Основной характе-
ристикой плавления электрода являются линейная или массовая
скорости плавления, измеряемые длиной или массой расплавлен-
ного электрода (проволоки) в единицу времени. Скорость плавле-
ния зависит от состава сварочной проволоки, покрытия, флюса,
защитного газа, режима сварки, плотности и полярности тока,
вылета электрода и ряда других факторов. Но и для одних и тех же
условий сварки скорость плавления электрода не остается постоян-
ной, а может постепенно изменяться. Поэтому на практике ис-
пользуют в качестве характеристики среднюю скорость плавления
электрода, которая обычно определяется за некоторый произволь-
ный, но значительно превосходящий длительность периода ка-
пельного перехода промежуток времени.
Поскольку средняя скорость плавления сильно зависит от
режима сварки, при оценке влияния различных факторов на плав-
ление электрода иногда удобнее пользоваться удельным (отне-
сенным к единице тока) значением этой характеристики, полу-
чившим название коэффициента расплавления. Скорость плавле-
ния электрода Gp связана с коэффициентом расплавления ар
выражением
Gp = kapl,
где k — коэффициент, зависящий от выбора единиц измерения.
Важнейшими показателями, характеризующими процесс плав-
ления электрода, являются также коэффициент наплавки ан и
коэффициент потерь ф. Коэффициент наплавки, как и коэффициент
расплавления, представляет собой удельное значение скорости
68
йаплавки. Скорость найЛавки 6Н связана с коэффиЦиён^бм ЙЗ-
плавки выражением
GH = kanI.
Коэффициент потерь характеризует относительные потери
электродного металла на угар и разбрызгивание и определяется
из выражения
ф = gp ~ g» .;	(2-14)
gp
где gp и gn — соответственно массы расплавленного и наплавлен-
ного металла.
Выражение (2-14) справедливо лишь для электродов, не со-
держащих металлических присадок (железного порошка или фер-
росплавов) в покрытии.
При наличии металлических присадок в покрытии коэффи-
циент ф может получать отрицательные значения. В таких слу-
чаях он представляет собой разность между количеством потерян-
ного металла и количеством металла, перешедшего из покрытия.
Для электродов подобного типа суммарный коэффициент потерь
можно определить из выражения
,ф _ (gCT + gnp) — gn   |____gH
get + gnp	get + gnp ’
где gCT — масса расплавленного металла стержня; gB — масса
присадок металла из покрытия.
С помощью рассмотренных показателей можно определить
такие характеристики, как выход наплавленного металла kc
и выход годного металла k3.
Выход наплавленного металла kc представляет собой отношение
массы наплавленного металла к массе расплавленной части элек-
тродного стержня:
k =	=* аи
с gP “р
Для электродов с металлическими присадками в покрытии этот
показатель может быть значительно больше единицы (или больше
100%).
Выход годного металла k3 представляет собой отношение массы
наплавленного металла к массе расплавленной части электрода:
и _ gn ________кн___
э gs ар(1 + ^п)
где ёэ — масса расплавленной части электрода; kn — коэффи-
циент массы покрытия, представляющий собой отношение массы
покрытия к массе покрытой части электродного стержня.
Скорость плавления электрода при всех способах дуговой
сварки плавящщуся электродом возрастает с увеличением силы
69
тока (рис. 2-23). В широком диапазоне режимов наблюдается про-
порциональность между скоростью плавления электрода и силой
сварочного тока. Однако в области малых и больших токов про-
порциональность нарушается, что связано с изменением энергети-
ческих характеристик дуги, размера активных пятен и плотностей
тока в них, нагревом электрода током. Увеличение скорости плав-
ления электрода при больших плотностях тока вызвано также
подогревом стержня электрода проходящим током. Нагрев элек-
трода на вылете пропорционален квадрату силы тока, сопротив-
лению проволоки и длине вылета.
Скорость плавления электрода в основном определяется усло-
виями выделения и передачи теплоты в анодной и катодной об-
ластях и зависит от полярности тока. При сварке на обратной
полярности коэффициент расплавления практически не зависит
от состава проволоки, покрытия, флюса или защитного газа. При
сварке же на прямой полярности коэффициент расплавления изме-
няется в широких пределах в зависимости от состава и состояния
поверхности проволоки, составов покрытия, флюса или защитного
газа (рис. 2-24). Соответственно изменяется и напряжение дуги.
В практике обычно пользуются значением номинального напря-
жения дуги (/н — напряжения, характерного для данной марки
электрода, проволоки, флюса или защитного газа при рабочей
длине дуги.
Скорость плавления электрода можно регулировать, изменяя
силу тока или величину катодного падения напряжения. Возмож-
ность увеличения скорости плавления покрытых электродов за
счет увеличения силы тока
ограничена в связи с перегре-
вом стержня электрода. При
автоматических и полуавтома-
тических способах сварки это
Рис. 2-23. Влияние силы тока
на скорость распла-
вления электрода;
электрод с рутиловым
покрытием, ток по-
стоянный прямой по-
лярности (К- Джек-
сон)
Рис. 2-24. Зависимость коэф-
фициента расплав-
ления от номи-
нального напря-
жения дуги при
сварке на прямой
(/77/) и обратной
(ОП) полярности
(А. А. Ерохин)
70
ограничение менее существенно из-за малых вылетов прово-
локи.
Введение в проволоку, покрытие или флюс веществ, повышаю-
щих катодное падение напряжения (а следовательно, и номиналь-
ное напряжение дуги), способствует повышению скорости плавле-
ния проволоки на прямой полярности. Изменение состава защит-
ного газа оказывает сравнительно небольшое влияние на скорость
плавления проволоки. Нанесение на сварочную проволоку не-
больших количеств солей щелочных или щелочноземельных ме-
таллов резко понижает скорость плавления катода. Это явление
иногда используется для так называемого активирования про-
волоки с целью замедления скорости плавления и получения мел-
кокапельного переноса металла на прямой полярности.
При сварке покрытыми электродами скорость плавления элек-
трода зависит и от толщины покрытия. Утолщение покрытия при-
водит к дополнительным затратам теплоты на его плавление,
а также к увеличению мощности, выделяемой в столбе дуги. У элек-
тродов без металлических добавок в покрытии увеличение тол-
щины покрытия ведет к бесполезным затратам на его плавление.
Вводя в покрытие металлические добавки или железный порошок,
можно существенно увеличить скорость наплавки. Увеличение
толщины покрытия и повышение содержания в нем железного
порошка позволяют значительно повысить плотность тока без
опасения перегрева стержня электрода. Все эти факторы способ-
ствуют увеличению производительности сварки.
Основные показатели переноса электродного металла. При
плавлении на торце электрода образуется капля жидкого металла.
Большая удельная поверхность и высокие температуры капель при
дуговой сварке плавлением способствуют интенсивному взаимо-
действию металла с окружающей средой. Поэтому характер пе-
реноса электродного металла оказывает значительное влияние на
кинетику процессов взаимодействия металла со шлаком и газами.
Основными показателями, характеризующими процесс пере-
носа электродного металла через дуговой промежуток, являются
— масса капли на торце электрода перед переходом, т0 — масса
остающейся на электроде части капли, р — масса переходящей
части капли, т — время между переходом отдельных капель (время
роста капли), N — частота перехода капель, р = и £ =
тк.
.... Р
--------соответственно доли оставшейся на торце электрода и
оторвавшейся части капли.
Полнота протекания реакций взаимодействия металла капли
с окружающей средой зависит от удельной поверхности капли
(отношения площади поверхности капли к ее массе) и времени
взаимодействия. При установившемся процессе сварки масса
капли в момент перед очередным переходом равна;
«к = то + р,
71,
Средняя масса капли жидкого металла я?ср, существующей на
торце электрода в течение времени т, определяется выражением
/7?ср	Т" 2 ’
Для кинетических расчетов пользуются усредненным по массе
капли временем взаимодействия тк, которое определяется из
выражения
Тк = (дг + ^)Т-
Данные о характере плавления и переноса электродного ме-
талла при сварке плавящимся электродом в атмосфере защитных
газов получают с помощью скоростной киносъемки, а при сварке
толстопокрытыми электродами и под флюсом —• с помощью ско-
ростной рентгеновской киносъемки.
Силы, действующие на каплю. Характер переноса электрод-
ного металла зависит от соотношения сил, действующих на каплю
металла на торце электрода. Основные из них: сила тяжести, сила
поверхностного натяжения, электромагнитная сила, электроста-
тическая сила, сила реактивного давления паров и нейтрализо-
вавшихся на катоде ионов, аэродинамическая сила. Величины
отдельных сил и направление их равнодействующей зависят от
режима сварки, полярности тока, состава электродного металла
и газовой среды, состояния поверхности проволоки и ее диаметра.
Общепризнано, что сила тяжести оказывает существенное
влияние на перенос металла лишь при сварке на малых токах.
Роль силы тяжести в переносе электродного металла зависит от
положения электрода в пространстве. При сварке в нижнем поло-
жении она способствует переходу капли в ванну, а в потолочном
положении — удержанию ее на торце электрода.
Сила поверхностного натяжения удерживает каплю на торце
электрода. Она определяется величиной поверхностного (межфаз-
ного) натяжения на границе металл—-газ или на границе металл—
шлак и геометрическими параметрами капли:
п 2ст
г а —	ЯГ о >
где ст —• коэффициент поверхностного натяжения, эрг/см2; го —
радиус электрода, см; R — радиус кривизны поверхности
капли, см.
По мере увеличения размеров капли сила поверхностного на-
тяжения уменьшается.
Величина поверхностного натяжения жидкого металла ст
оказывает существенное влияние на характер переноса электрод-
ного металла. Увеличение поверхностного натяжения, при прочих
равных условиях, способствует увеличению размеров капель, об-
78
разующихся на торце электрода и переносимых через дуговой про-
межуток.
Величина поверхностного натяжения жидкого металла зави-
сит от его химического состава и температуры. Наличие небольших
количеств поверхностно-активных веществ может привести к зна-
чительному снижению поверхностного натяжения. Наибольшей
поверхностной активностью в жидкой стали обладают кислород
и сера. Поэтому различные технологические факторы, оказываю-
щие влияние на содержание этих примесей в металле (степень
раскисленности металла, состав шлака и др ), оказывают воздей-
ствие на характер переноса металла. Увеличение температуры
капель приводит к снижению поверхностного натяжения сплавов
на основе железа и может способствовать уменьшению размера
переносимых капель.
Значительное влияние на перенос металла оказывает электро-
магнитная сила. Она обусловлена взаимодействием проводника
с током и магнитного поля, создаваемого этим током. При проте-
кании тока через проводник, каковыми являются капля жидкого
металла и столб дуги, возникают силы, которые стремятся дефор-
мировать проводник в радиальном направлении. Величина силы
сжатия пропорциональна квадрату силы тока. Если сечение про-
водника переменное (в случае сварки плавящимся электродом,
включающее электрод—каплю—активное пятно—-столб дуги), то
возникает осевая составляющая электромагнитной силы, направ-
ленная от меньшего сечения к большему. Если размеры активного
пятна меньше, чем диаметр электрода (шейки), то осевая сила
будет препятствовать переносу, и наоборот (рис. 2-25).
Величина осевой силы определяется формулой (В. И. Дятлов)
РЭуК — АР (1+2,3 lg-M=A/2 (1+4,6 lg-М,
где А — коэффициент пропорциональности, равный 0,005 дин/А2;
г'э и + — плотность тока в электроде и столбе, А/см2; гст и гэ —
радиусы столба дуги и электрода, см.
Электростатическая сила Рэ равна произведению индуци-
рованного поверхностного заряда и напряженности поля, созда-
Рис. 2-25.
Направление осевой составляющей
электромагнитной силы в зависи-
мости от соотношения площадей
активного пятна на поверхности
капли и сечения шейки:
/ — осевая составляющая электродина-
мической силы,
2	— активное пятно,
3	— столб дуги,
4	— капля,
£ — электрод,
6	— расхождение линий тока;
7	— схождение линий тока
73
ваемой на поверхности электрода объемным зарядом. Эта сила
приложена перпендикулярно поверхности активного пятна и
направлена в сторону столба дуги. Действие электростатической
силы частично компенсируется силой ионного давления. Однако,
как показывают расчеты, нескомпенсированная электростатиче-
ская сила по величине не уступает другим силам, действующим на
каплю.
Одной из важных сил, оказывающих влияние на характер
переноса металла, является реактивное давление паров. Испарение
металла с поверхности капли и химическое взаимодействие жидкого
металла со шлаком или газовой фазой, вызывающее образование
и выделение газа, приводят к возникновению реактивных сил.
Испарение металла происходит главным образом в области ак-
тивных пятен. Считают, что равнодействующая реактивных сил
приложена к центру активного пятна. Перемещение пятен вызы-
вает изменение положения места приложения реактивных сил
и значительную подвижность капель.
Величина реактивных сил Рп (дин/см2) зависит от размеров
активных пятен, плотности тока в них, от теплофизических свойств
материала электрода и может быть приближенно рассчитана по
уравнению (В. И. Дятлов)
р __ / ДСэ;а, п \2	,
п \ gn J “ ’
где£)—коэффициент пропорциональности, равный 3,02 • 10~3 А 2 ’
U3 — эффективное падение напряжения у электрода, В; gu— скры-
тая теплота испарения, Вт-с/г; i’a.п— плотность в активном пятне,
А/см2; vK — удельный объем пара металла при температуре ки-
пения, см3/г.
Поскольку плотность тока в катодном пятне значительно выше,
чем в анодном, влияние реактивного давления в большей мере
проявляется на прямой полярности. Сжатие дуги приводит к уве-
личению плотности тока в пятнах, что вызывает повышение ре-
активного давления паров.
В металлах с высоким давлением паров (магний, цинк, кадмий)
отталкивание капель реактивными силами наблюдается на обеих
полярностях, а в металлах с низким давлением паров — главным
образом на прямой полярности.
При сварке на прямой полярности реактивное давление ионов,
нейтрализующихся на поверхности катода, может оказывать не-
которое влияние на характер переноса металла.
Роль аэродинамической силы проявляется в тех случаях, когда
возникают мощные плазменные (газовые) потоки. Величина аэро-
динамической силы определяется аэродинамическим торможением
капли в газовом потоке и магнито-кинетическими силами, обуслов-
ленными несбалансированностью гидростатического давления
внутри капли и на поверхности раздела жидкость—газ. Сила аэро-
74
Рис. 2-26. Влияние силы тока на время
между переходами т капель с
торца электрода в ванну; элек-
троды УОНИ-13/45, обратная по-
лярность, UR = 26-?28 В
динамического торможения пропор-
циональна плотности газа, его ско-
рости и эффективной площади сече-
ния капли, спроектированной на на-
правление газового потока.
В зависимости от соотношения сил
действующих на каплю,
характер переноса электродного металла может существенно
изменяться. Рассмотрим особенности переноса электродного ме-
талла при различных способах дуговой сварки.
Сварка покрытыми электродами. При сварке покрытыми элек-
тродами наблюдается несколько типов переноса: крупнокапель-
ный, мелкокапельный, туманообразный. Тип переноса зависит
от состава и толщины покрытия, режима сварки, рода тока и
полярности.
Для электродов с фтористо-кальциевым покрытием характерен
крупнокапельный перенос металла в широком диапазоне режимов
сварки. Такой характер переноса обусловлен, во-первых, высоким
поверхностным натяжением металла на границе со шлаком, по-
скольку и шлак, и металл хорошо раскислены, и, во-вторых, дей-
ствием электромагнитной силы. В атмосфере дуги при сварке элек-
тродами с фтористо-кальциевым покрытием содержится около
30 об. % СО2. Диссоциация СО2 вызывает сжатие столба дуги и
активных пятен. В связи с этим осевая составляющая электро-
магнитной силы препятствует отрыву капель. Увеличение силы
тока приводит к уменьшению как времени между переходами от-
дельных капель т (рис. 2-26), так и усредненного времени взаимо-
действия металла и шлака тк.
При малом напряжении (короткая дуга) перенос металла мо-
жет осуществляться путем коротких замыканий, поскольку сво-
бодный рост капель затруднен. В момент коротких замыканий
происходит перетекание металла с торца электрода в ванну.
С удлинением дуги масса переносимых капель увеличивается,
так как создаются условия для свободного роста капли на торце
электрода. Дальнейшее удлинение дуги приводит к увеличению
парциального давления кислорода за счет подсоса воздуха, что
вызывает окисление металла и снижение его поверхностного на-
тяжения. Эти обстоятельства приводят к уменьшению тк, р и т.
Изменение состава фтористо-кальциевого покрытия не оказывает
существенного влияния на характер переноса.
Для сварки электродами с рудно-кислым и рутиловым покры-
тиями характерен мелкокапельный перенос. Малый размер ка-
пель обусловлен сравнительно низким межфазным натяжением на
75
границе металла со шлаком, поскольку шлак и металл содержат
значительное количество кислорода. Размер капель при плавлении
электродов с рутиловым и рудно-кислым покрытиями существенно
зависит от силы тока. При очень малых плотностях тока металл
переносится сравнительно крупными каплями. При увеличении
плотности тока масса переносимых капель резко уменьшается.
Уменьшается также время (тк) взаимодействия капли с окружаю-
щей средой (шлаком, газовой фазой). Этому способствуют более
высокая температура капель и сравнительно низкое межфазное
натяжение на границе металла со шлаком. При высоких плотно-
стях тока наблюдается чрезвычайно мелкокапельный (так назы-
ваемый туманообразный) перенос металла (рис. 2-27).
Изменение напряжения дуги в практически целесообразных
диапазонах не оказывает существенного влияния на перенос ме-
талла у электродов с рутиловым и рудно-кислым покрытиями.
По характеру влияния коэффициента массы (толщины) покры-
тия электроды можно разбить на две группы. У рудно-кислых и
рутиловых электродов с увеличением толщины покрытия наблю-
дается повышение содержания кислорода в каплях и уменьшение
их размеров. Уменьшению размеров капель способствуют также
аэродинамические силы. При увеличении толщины покрытия уве-
личиваются размеры втулочки из покрытия и поток газов приоб-
ретает более направленный характер. У фтористо-кальциевых
электродов содержание кислорода в каплях с увеличением тол-
щины покрытия снижается, что способствует увеличению размеров
т„,г	капель. Таким образом, влия-
ние толщины покрытия опреде-
ляется в основном содержанием
кислорода в каплях, которое
оказывает большое влияние на
силы поверхностного натяже-
ния, удерживающие каплю на
торце электрода.
Сварка под флюсом. При
сварке под флюсом наблюдает-
ся капельный перенос металла.
Перенос капель часто происхо-
дит в потоке шлака без непо-
С,<’С Рис. 2-27. Влияние плотности, поля-
1,6
1,2
0,8
0,0
О
Ь 1 8 9 10 11 ’12 13 1,А/ммг
рности и рода тока на по-
казатели переноса и взаи-
модействия капель металла
при сварке электродами с
рутиловым покрытием (элек-
троды АНО-4):
1	— обратная полярность;
2	— прямая полярность;
3	— переменный ток
76
Рис. 2-28. Влияние силы тока:
а — на массу РСр и число N переходя-
щих капель;
1 — прямая полярность;
б — иа время взаимодействия капель Т 
С7Д = 40 В; флюс АН-20;
2 — обратная полярность
средственного контакта со столбом дуги. Капли могут также
лететь внутри флюсового пузыря. Существенное влияние на
характер переноса оказывают режимы сварки и полярность
тока.
При сварке на обратной полярности с увеличением силы тока
уменьшается масса переходящей части капли Рср и возрастает
число переходящих капель N. Время взаимодействия капель
с окружающей средой тср уменьшается. На больших токах дуговой
промежуток мал и подвижная сварочная ванна захватывает капли
металла на торце электрода, не давая им возможности достигнуть
больших размеров. При сварке на прямой полярности масса пере-
ходящей части капель и число переходов с ростом силы тока изме-
няются мало. Объясняется это увеличением плотности тока в ак-
тивном пятне и возрастанием действия сил реактивного давления
паров, которые способствуют удержанию капли на торце электрода
(рис. 2-28). Под действием этих сил капли на торце сильно дефор-
мируются и вытесняются иногда на его боковую поверхность.
С увеличением напряжения дуги при сварке на прямой и обрат-
ной полярности возрастает масса переходящей части капли Рср
и снижается число переходящих капель N (рис. 2-29, а). Время
между переходами т также растет (рис. 2-29, б). При удлинении
Дуги создаются более благоприятные условия для свободного роста
капли; вероятность коротких замыканий и непосредственного пе-
ретекания металла в ванну снижается. Установлено, что проте-
кание реакций между металлом и флюсом зависит от времени их
взаимодействия на торце электрода.
Сварка в защитных газах. Наиболее полно особенности пере-
носа металла изучены при сварке в аргоне. Для этого способа
77
Рис. 2-29. Влияние напряжения дуги:
а — на массу и число N переходя-
щих капель;
б — иа время взаимодействия капель
1 ~ прямая полярность, /св » 470 Ч-
4- 550 А; *
2 — обратная полярность, /	= 610 -г
<-630 А, усв = 46 м/ч
сварки наиболее характерным является капельный перенос ме-
талла с монотонным снижением размеров капель по мере возра-
стания силы тока. При достижении определенного значения тока,
называемого критическим, размер капель резко уменьшается и
перенос становится струйным (рис. 2-30).
Изменение характера переноса связано с изменением соотно-
шения сил, действующих на каплю. Увеличение силы тока при-
водит к возрастанию температуры жидкого металла на торце
электрода. При достижении критического тока капли металла
нагреваются до температуры кипения. Возрастание температуры
жидкого металла приводит к значительному уменьшению силы
поверхностного натяжения и увеличению испарения электродного
металла. Повышение парциального давления паров металла в дуге
способствует увеличению сечения столба дуги и размеров активных
пятен. Благодаря увеличению размеров активного пятна на
электроде осевая составляющая электромагнитной силы меняет
направление и способствует отрыву ка-
пель. Величина этой силы с ростом тока
возрастает. Уменьшение силы поверх-
ностного натяжения и изменения напра-
вления и величины осевой составляющей
электромагнитной силы являются основ-
Рис. 2-30. Влияние силы тока на диаметр капель
электродного металла при сварке в
аргоне, алюминиевая проволока диамет-
ром 1,6 мм, полярность обратная
(С. J. Соокзеу и др.)
78
Рис. 2-31. Изменения тока и на-
пряжения дуги при им-
пульсно-дуговой сварке
ной причиной изменения ха-
рактера переноса при сварке
в аргоне. Большое влияние
на перенос оказывают и
плазменные потоки, которые
возникают в мощных дугах
и направлены вдоль оси
дуги.
Величина критического тока зависит от вылета и диаметра
электрода: чем меньше диаметр электрода и больше вылет, тем
меньше критический ток.
Если металл имеет высокую теплопроводность (алюминий,
медь), размер капель уменьшается без изменения геометрии пе-
реноса. Если теплопроводность металла низкая, конец электрода
приобретает коническую форму и металл стекает в виде струи,
так как электромагнитные силы вынуждают жидкость течь вниз.
При очень большой величине и плотности тока наблюдается
струйно-вращательный перенос металла. Его возникновение свя-
зывают с реактивным действием плазменного потока на электрод.
В результате перегрева электрод размягчается по длине вылета
и сила реакции струи изгибает его. При изгибе электрода изме-
няется направление струи и действие реактивной силы, что при-
водит к новому смещению электрода.
При аргоно-дуговой сварке швов в вертикальном, горизон-
тальном и потолочном положениях практически невозможно
добиться направленного переноса металла. Зачастую при сварке
в диапазоне докритических токов образовавшаяся на электроде
крупная капля (при обрыве дуги либо при коротком замыкании)
отделяется и летит вниз, не попадая в ванночку. В последние годы
был разработан способ активного воздействия на процессы плав-
ления и переноса электродного металла —• так называемый способ
импульсно-дуговой сварки.
Сущность его заключается в том, что на дугу постоянного
тока накладываются мощные кратковременные импульсы тока,
обеспечивающие формирование капли на торце электрода и пере-
нос ее на изделие (рис. 2-31). В промежутках между импульсами
электрод плавится при небольшой силе сварочного тока. При на-
ложении импульса тока большой величины резко возрастают элек-
тродинамические силы. Скачкообразно возрастающее радиальное
усилие способствует почти мгновенному образованию шейки, а
быстрое увеличение осевого усилия ведет к интенсивному пере-
мещению капли вдоль оси электрода в направлении ванночки
жидкого металла с последующим отрывом ее и переходом в ван-
79
ночку. Принудительный перенос может происходить при сварке
во всех пространственных положениях.
Изменение состава защитного газа может привести к суще-
ственному изменению характера переноса. Перенос металла при
сварке в углекислом газе совершенно отличен от переноса при
сварке в аргоне. Он характерен переходом крупных капель. В за-
висимости от режимов сварки переход капель осуществляется
с короткими замыканиями или без них.
Основной причиной такого переноса является сжатие столба
дуги и активных пятен, вызванное диссоциацией углекислого
газа. При этом возрастает действие отталкивающих сил реактив-
ного давления паров и осевой составляющей электромагнитной
силы, способствующих укрупнению капли и увеличению раз-
брызгивания металла. Потери металла от разбрызгивания зависят
главным образом от режима сварки, диаметра проволоки и харак-
теристик источника питания. С повышением напряжения дуги
разбрызгивание повышается.
Большое влияние на величину разбрызгивания металла ока-
зывают сила сварочного тока и диаметр проволоки (рис. 2-32).
На малых токах (область А на рис. 2-32) перенос металла осу-
ществляется с короткими замыканиями. При этом потери металла
определяются в основном динамическими свойствами источника
питания — величиной тока короткого замыкания и темпом его
нарастания. В диапазоне средних токов (область Б) часть капель
переходит в ванну при коротких замыканиях дуги, а часть — без
коротких замыканий. В этом диапазоне наблюдается максимум
разбрызгивания за счет выброса крупных капель. В диапазоне
больших токов (область В) перенос электродного металла про-
исходит без коротких замыканий. Разбрызгивание металла при
сварке на больших токах невелико и происходит в основном за
счет выброса мелких брызг, образующихся при перегорании шейки
между каплей и электродом и при кипении ванны.
С целью уменьшения разбрызгивания при сварке проволокой
малого диаметра процесс сварки осуществляют с короткими за-
мыканиями, используя источники с оптимальными динамическими
свойствами. При сварке проволокой большого диаметра мини-
Рис. 2-32. Влияние силы тока и диаметра проволоки на потери металла при
сварке в среде СО2, полярность обратная (А. Г. Потапьевский,
В. Я- Лаврищев)
80
маЛьноГо разбрызгивания добиваются путем подбора оптимаЛьнь!Х
режимов сварки, изменяя величину тока и напряжения.
Сварка порошковой проволокой. Общие закономерности пере-
носа металла, установленные при сварке покрытыми электродами,
справедливы и для порошковых проволок с соответствующими ти-
пами сердечников. Более высокие плотности тока, конструкции
проволок и условия контактирования с атмосферой вносят неко-
торые количественные коррективы.
Наиболее полно изучен перенос металла при сварке проволо-
ками с сердечником рутилового типа. С увеличением силы тока
несколько уменьшается средняя масса переносимых капель Рср,
растет число капель N и снижается время их существования тср.
Малое влияние тока на массу капель связано, по-видимому, с дей-
ствием реактивных сил, вызванных сжатием столба дуги и актив-
ных пятен вследствие диссоциации водорода и паров воды. Источ-
ником этих газов являются составляющие сердечника порошковой
проволоки —• органические вещества и кристаллизационная
влага некоторых минералов.
Увеличение напряжения дуги вследствие ее удлинения при-
водит к значительному повышению парциального давления кис-
лорода в атмосфере дуги из-за подсоса воздуха. При этом увели-
чивается окисление капель, снижается поверхностное натяжение
металла, а следовательно, уменьшаются масса капель и время их
существования. Подобный эффект достигается и при введении
в сердечник сильных окислителей. Увеличение вылета проволоки
приводит к преждевременному выгоранию органических состав-
ляющих сердечников и окислению капель, что также способствует
их измельчению.
§ 2-7. Образование сварочной ванны,
формирование н кристаллизация
металла шва
При сварке плавлением доводятся до жидкого со-
стояния кромки соединяемых элементов и дополнительный металл.
При сварке без дополнительного металла расплавляется только
основной металл. Плавление происходит в зоне сварки — пла-
вильном пространстве. Расплавленные основной и дополнитель-
ный металлы, сливаясь, образуют общую сварочную ванну, на-
ходящуюся в состоянии непрерывного движения и перемешивания.
Границами ванны служат оплавленные участки основного металла
и ранее образовавшегося шва. Механизм переноса электродного
металла в сварочную ванну рассмотрен выше.
В процессе сварки источник теплоты перемещается вдоль со-
единяемых кромок, а вместе с ним движутся плавильное про-
странство и сварочная ванна. При сварке под флюсом сварочная
ванна окружена оболочкой (пузырем) из расплавленного флюса-
шлака, который полностью закрывает ореол дуги, делая его не-
6 Заказ № 782	81
видимым для глаз. При сварке с газовой защитой сварочная ванна
окружена прозрачной оболочкой из газа, а при применении
покрытых электродов сварочная ванна защищена шлаком и га-
зом. В обоих случаях ореол дуги хорошо виден. При электрошла-
ковой сварке и дуговой сварке под флюсом вертикальных швов
сварочная ванна изолирована от окружающего воздуха слоем
шлака, расположенным над ее поверхностью.
При дуговой сварке плавильное пространство можно условно
разделить на два участка (рис. 2-33): головной, где происходит
плавление основного и дополнительного металлов, и хвостовой,
где располагается сварочная ванна и начинается ее кристалли-
зация. Форма сварочной ванны при дуговых процессах в этом
случае характеризуется ее длиной, шириной, толщиной и глуби-
ной проплавления основного металла (рис. 2-34). Она ограничи-
вается изотермической поверхностью, имеющей температуру плав-
ления основного металла.
Объем сварочной ванны в зависимости от способа и режима
сварки изменяется от 0,1 до 10 см3. В плане сварочная ванна имеет1
эллипсовидное вытянутое вдоль направления сварки очертание
(рис. 2-35). В поперечном сечении в зависимости от режима и усло-
вий сварки форма сварочной ванны изменяется в широких преде-
лах. Наиболее характерной для дуговой сварки является форма
провара, приближающаяся к полуокружности. При лучевых спо-
собах сварки форма ванны напоминает острый клин-кинжал.
Время пребывания металла сварочной ванны в жидком со-
стоянии для различных ее участков неодинаково. Приближенно
среднюю продолжительность существования сварочной ванны
/св (с) можно определять из
где L — длина ванны, мм;
v — скорость перемещения
источника нагрева, мм/с.
Рис. 2-33. Строение сварочной ванны
1 — головной участок,
2 — хвостовой участок
Рис. 2-34. Форма сварочной ванны.
L — длина,
b — ширина,
И — толщина;
h — глубина
82
рис. 2-35. Различные очертания сва-
рочной ванны в плане при
сварке на токах-
а — малых, б — средних, в— больших
Для сварочной ванны при
дуговом процессе характерно
неравномерное распределение
температуры (рис. 2-36). В го-
ловной части ванны, где под
воздействием источника теплоты
происходит плавление металла
и наиболее интенсивно проте-
кает взаимодействие металла со
шлаком и газами, металл на-
грет значительно выше темпе-
ратуры его плавления. В хво-
стовой части ванны температура
приближается к температуре
плавления основного металла.
в)

Средняя температура свароч-
ной ванны при сварке под флюсом конструкционных низко-
углеродистых сталей составляет около 1800° С. Максимальная
температура для этих условий достигает 2300° С.
Столб дуги, расположенный в головной части сварочной ванны,
оказывает механическое воздействие — давление на поверхность
расплавленного основного металла. Это давление является резуль-
татом совместного действия упругого удара заряженных частиц
о поверхность металла, давления газов, находящихся в дуговом
промежутке, и дутья дуги, обусловленного электродинамиче-
скими усилиями. Такой направленный поток наблюдается только
при несимметричной дуге, т. е. дуге, горящей между электродами
малого и большого сечений, в нашем случае между электродом или
сварочной проволокой и основ-
ным металлом.
Давление приводит к вытес-
нению жидкого металла из-под
основания дуги и к погружению
столба дуги в толщу основного
металла, что обусловливает уве-
личение глубины проплавления.
Давление, оказываемое дугой на
поверхность металла, пропор-
ционально квадрату тока, проте-
кающего в дуге. Давление может
Рис. 2-36. Распределение температуры
по длине ванны
6:
83
быть повышено за счет увеличения концентрации источника на-
грева, например путем повышения плотности тока в электроде,
применения флюса или тугоплавкого покрытия, образующего вту-
лочку на конце электрода (сварка электродами для глубокого
провара). Очевидно, что чем больше давление, оказываемое дугой
на поверхность расплавленного металла, тем больше глубина
погружения столба дуги в его толщу. Для понижения давления
применяют сварку наклонным электродом углом вперед, сварку
несколькими дугами и другие приемы.
Жидкий металл, вытесненный из-под основания дуги действую-
щими на поверхность сварочной ванны силами, по мере передви-
жения дуги отбрасывается в хвостовую часть плавильного про-
странства. При плотности тока в электроде до 15 А/мм2 это пере-
мещение невелико и проявляется в образовании не заполненного
металлом углубления —• кратера. При повышенных плотностях
тока в электроде наблюдается достаточно заметное перемещение
металла сварочной ванны вплоть до полного удаления жидкого
металла из головного участка. Этим обусловливается различие
уровней жидкого металла в головной и хвостовой части плавиль-
ного пространства (рис. 2-37). Для поддержания такой разности
уровней должно существовать равенство между давлением дуги Рд
и гидростатическим давлением жидкого металла и шлака Рг.
Если Рд < Рг, то металл и шлак заполняют образовавшееся углуб-
ление, что имеет место в конце процесса сварки. Если Рд > Рг,
то нарушается нормальное формирование шва.
После перемещения расплавленного металла в головной части
плавильного пространства остается углубление — канавка.
Поверхность ее покрыта тонкой пленкой жидкого металла, удер-
живаемой силами поверхностного натяжения. По мере передви-
жения дуги перемещающийся из последующего головного участка
жидкий металл заполняет канавку. При этом происходит взаимное
слияние поступившего металла с жидкой пленкой и дополни-
тельное оплавление основного металла за счет теплоты, накоплен-
ной в перегретой сварочной ванне. При удалении источника на-
грева в хвостовой части плавильного пространства начинает
преобладать отвод теплоты в массу холодного металла над при-
током теплоты и начинается затвердевание — кристаллизация
сварочной ванны. В процессе затвердевания по границе расплав-
ления образуются общие кристаллиты, что и обеспечивает моно-
литность соединения.
Рис. 2-37. Расположение жидкого
металла в головной и
хвостовой частях сва-
рочной ванны
84
Рис. 2-38. Зональная ликвация в металле шва
При электрошлаковом процессе сварочная ванна в плане
преимущественно имеет прямоугольное или близкое к прямоуголь-
ному очертание с постоянной шириной. Такая форма ванны опре-
деляется возвратно-поступательным перемещением электрода
(электродов) и наличием над поверхностью ванны значительного
количества жидкого перегретого шлака. Объем металлической
ванны достигает в этом случае 80 см3 и более. Форма ванны в по-
перечном сечении приближается к полуокружности или полуэл-
липсу.
Переход металла сварочной ванны из жидкого состояния
в твердое называют первичной кристаллизацией. Процесс первич-
ной кристаллизации заканчивается образованием столбчатых кри-
сталлитов Структуру металла шва, сформировавшуюся в резуль-
тате первичной кристаллизации, именуют первичной.
При затвердевании металла в нем развиваются диффузионные
процессы, стремящиеся выравнять состав различных участков
образовавшихся кристаллитов. Однако из-за значительной ско-
рости остывания металла и медленного протекания процессов
диффузии в твердых растворах не происходит полного выравни-
вания состава металла шва. Это определяет наличие зональной
ликвации, т. е. неравномерного распределения элементов по се-
чению металла шва и внутридендритной неоднородности, заклю-
чающейся в неравномерном распределении элементов в пределах
отдельных кристаллитов. Характер и степень микроскопической
неоднородности оказывают существенное влияние на стойкость
металла шва против образования трещин и на его механические
свойства.
Преимущественное развитие в сварных швах получает внутри-
дендритная химическая неоднородность. Зональная ликвация про-
является в значительно меньшей степени в виде небольшого обо-
гащения серой и некоторыми другими элементами поверхности
шва при широкой форме провара (рис. 2-38, б) или по его оси при
узкой форме провара (рис. 2-38, а). Степень дендритной и зональной
ликваций в значительной мере зависит от условий остывания
(кристаллизации) металла шва и его химического состава.
85
Степень внутридендритной химической неоднородности свя-
зана со скоростью остывания сварочной ванны сложной зависи-
мостью. Однако изменения скорости остывания металла сварочной
ванны в пределах, характерных для кристаллизации реальных
швов, не влияют на степень ликвации.
Значительное влияние на качество сварного соединения ока-
зывают диффузионные процессы, протекающие в зоне сплавления.
Здесь, вследствие различной растворимости элементов в жидкой
и твердой фазах, возникает существенная разница в химическом
составе пограничного участка основного металла и прилегающего
к нему участка металла шва.
В ряде случаев наблюдаются значительные изменения хими-
ческого состава по длине шва и на отдельных его участках (мак-
роскопическая неоднородность). Эти изменения обычно связаны
с колебаниями режима сварки, изменениями состава сварочных
материалов и другими технологическими причинами.
В металле сварных швов наблюдается также физическая не-
однородность, связанная с возникновением вторичных, так на-
зываемых полигонизационных границ, проходящих по участкам,
где сосредоточены несовершенства кристаллической решетки.
Физическая неоднородность оказывает заметное влияние на стой-
кость сварного шва против перехода в хрупкое состояние, против
межкристаллитной коррозии и на другие свойства.
Первичная кристаллизация сварочной ванны при всех видах
дуговой сварки начинается от частично оплавленных зерен основ-
ного металла или столбчатых кристаллитов предыдущего слоя
(при многопроходной сварке), являющихся готовыми центрами
кристаллизации. Видимая граница между металлами исчезает.
Условную поверхность раздела между зернами основного металла
и кристаллитами шва именуют границей шва или границей сплав-
ления (рис. 2-39).
При сварке аустенитных сталей величина столбчатых кри-
сталлитов в большинстве случаев совпадает с величиной зерна
основного металла. При сварке других металлов и сплавов эта
закономерность выражена не столь четко.
Процесс первичной кристаллизации металла шва при электро-
шлаковой сварке не имеет принципиальных отличий от кристал-
лизации многослойных швов, полученных дуговой сваркой с не-
большим перерывом между выполнением слоев. Только в примы-
кающих к ползунам участках металлической ванны кристаллиты
растут перпендикулярно к поверхности охлаждения, прорастая
на 10—20 мм в глубь шва. Наличие дополнительных охлаждаемых
поверхностей при сварке металла толщиной до 30 мм приводит
к радиально-осевой направленности кристаллитов (рис. 2-40).
С увеличением толщины свариваемого металла свыше 50 мм кри-
сталлизация основной части шва приобретает обычный характер,
и только у ползунов наблюдается специфическая направленность
роста кристаллитов (рис. 2-41).
86
Рис. 2-39. Граница сплав-
ления А
Рис. 2-40. Направление роста
кристаллитов при
электрошлаковой
сварке металла тол-
щиной до 40 мм
Первичная кристаллизация металла сварочной ванны, так же
как кристаллизация слитков и отливок, носит прерывистый ха-
рактер. Швы, выполненные сваркой плавлением, имеют слоистое
строение (рис. 2-42). Толщина кристаллизационного слоя при
дуговой сварке обычно составляет десятые доли миллиметра.
При электрошлаковой сварке слой имеет большую толщину и
выявляется более четко.
Слоистое строение металла шва, вероятно, обусловлено со-
вместным действием ряда причин, к которым относятся выделение
скрытой теплоты кристаллизации металла сварочной ванны, волно-
образное поступление металла в хвостовую часть плавильного
пространства, наблюдаемые в реальных условиях колебания ре-
жима сварки и другие факторы.
Прерывистость характера первичной кристаллизации сварочной
ванны влияет еще на один вид ликвации в металле шва, а именно
слоистую неоднородность. Кристаллизационный слой состоит из
трех характерных участков. Нижний участок обогащен, а верхний
обеднен ликвирующими примесями по сравнению со средним уча-
стком.
Металл швов, выполненных сваркой плавлением, имеет столб-
чатое строение (рис. 2-43). Столбчатые кристаллиты отличаются
сравнительно крупными размерами и легко различимы при изу-
чении макроструктуры. В зависимости от способа и режима сварки
размеры столбчатых кристаллитов изменяются в достаточно широ-
ких пределах. Так, при дуговой сварке их размер обычно равен
0,3—3 мм в поперечнике. Для электрошлаковой сварки характерны
значительный объем сварочной ванны и длительное пребывание
расплавленного металла при высоких температурах. Соответ-
ственно этому размер столбчатых кристаллитов достигает 3—7 мм
в поперечнике. Рост кристаллитов происходит нормально к кри-
волинейной поверхности раздела основного металла и металла
сварочной ванны, а при многопроходной сварке — к границе
87
00
00
Рис. 2-41.
Направление ро-
ста кристаллитов
при электрошла-
ковой сварке ме-
талла толщиной
100 мм
Рис. 2-42.
Слоистое строе-
ние металла
шва:
а “-дуговая свар-
ка под флю-
сом;
б — электрошла-
ковая сварка

Рис. 2-43. Столбчатое строение металла шва:
а — дуговая сварка,	б — электрошлаковая сварка
раздела между металлом ранее закристаллизовавшегося слоя и
металлом кристаллизующегося слоя.
При дуговой однослойной сварке столбчатые кристаллиты
прорастают через кристаллизационные слои, не изменяя своего
направления. При многопроходной сварке рост кристаллитов
последующего слоя начинается от частично оплавленных кристал-
литов предыдущего. Направления кристаллитов отдельных слоев,
как правило, не совпадают, так как конфигурация слоев различна
(рис. 2-44).
Столбчатый кристаллит представляет собой группу неполно-
гранных дендритов. У границы сплавления дендриты, как правило,
имеют только стволы и малоразвитые ветви первого порядка.
По мере удаления от границы сплавления дендриты разветвляются,
выбрасывая ветви второго и третьего порядков.
При электрошлаковой сварке в зависимости от ее режима,
химического состава и толщины свариваемого металла наблюдается
четыре типа макростроения металла шва. Первый тип макрострое-
ния характерен наличием трех участков (рис. 2-45, а). У границы
сплавления и у ползунов располагается участок толстых столб-
чатых кристаллитов. Каждый такой кристаллит является коло-
нией дендритов, имеющих стволы и слабовыраженные оси первого
порядка (рис. 2-46, а). На некотором расстоянии от границы сплав-
ления толстые столбчатые
кристаллиты переходят в
более тонкие кристаллиты,
представляющие собой коло-
нии развитых имеющих оси
второго и третьего порядка
Дендритов (рис. 2-46, б). Про-
Рис. 2-44. Направление кристал-
литов в слоях много-
слойного шва
§9
Рис. 2-45. Типы строения металла при электрошлаковой сварке
а — первый, б — второй
растая в глубь шва, они доходят до участка равноосных кристал-
литов, занимающего полосу шириной 0,5—10 мм по оси шва Рав-
ноосные кристаллиты имеют дендритное, значительно разветвлен-
ное строение
Второй тип строения наблюдается наиболее часто и характе-
ризуется наличием только участка толстых и тонких столбчатых
кристаллитов (см рис 2-45, б) При третьем типе строения имеется
только участок тонких столбчатых кристаллитов, прорастающих
от границы сплавления до оси шва (аналогично строению швов
при дуговой сварке). Четвертый тип строения характеризуется
наличием лишь участков толстых столбчатых кристаллитов Во
всех случаях металл участка толстых кристаллитов обладает более
высокой однородностью и плотностью, чем металл других участков
Рис. 2-46. Строение дендритов при электрошлаковой сварке
(1 — у границы сплавления,	б — на гнекотором расстоянии
от границы сплавления
£0
Образование кристаллизационных трещин наблюдается в осйовйбм
на участке тонких столбчатых кристаллитов.
Измельчение первичной столбчатой структуры и уменьшение
микрохимической неоднородности металла шва принципиально
возможны путем применения специальных элементов модифика-
торов, возбуждения в сварочной ванне ультразвуковых или меха-
нических колебаний и увеличения скорости остывания сварочной
ванны. Однако использование указанных методов сложно и поэтому
не находит широкого применения (см. гл 10) Швы, выполненные
электроннолучевой и лазерной сваркой, также имеют литую струк-
туру.
Для металлов и сплавов, претерпевающих при охлаждении
аллотропические превращения (сплавы железа с углеродом и дру-
гие технические сплавы), первичная структура сохраняется до
температуры аллотропического превращения. Для сплавов на
основе железа аллотропические превращения проявляются в пе-
реходе у-железа в a-железо. Переход металла шва из одного алло-
тропического состояния в другое, происходящий в твердом со-
стоянии,. называется вторичной кристаллизацией Структура ме-
талла шва, возникающая в результате вторичной кристаллизации,
называется вторичной структурой. Характер вторичной микро-
структуры зависит от химического состава металла шва, термиче-
ского цикла и других причин.
§ 2-8. Образование и строение зоны
термического влияния
Теплота, выделяемая сварочным источником нагрева,
распространяется на прилегающие ко шву участки основного
металла. При нагреве и последующем остывании в этих участках
изменяются структура и свойства металла. Участок основного
металла, подвергающийся в процессе сварки нагреву до темпера-
туры, при которой происходят видимые или невидимые структур-
ные изменения, называют зоной термического влияния (около-
шовной зоной). Наряду с тепловым воздействием основной металл
околошовной зоны, как правило, претерпевает и пластическую де-
формацию.
Температура нагрева различных участков зоны термического
влияния находится в пределах от точки плавления металла (у шва)
до начальной температуры основного металла. Строение и размеры
зоны термического влияния зависят от химического состава и теп-
лофизических характеристик свариваемого материала, а также от
термического цикла сварки.
Зона термического влияния является обязательным спутником
шва при всех видах электрической сварки плавлением. Ширина ее
изменяется в достаточно широких пределах в зависимости от спо-
соба и режима сварки, состава и толщины основного металла и
ряда других факторов. Меньшая ширина зоны относится к усло-
виям сварки, характеризуемым большим перепадом температур.
91
Рис. 2-47.
Строение околошовнои
зоны:
1	— участок твердо жид-
кого состояния,
2	— участок перегрева;
3	— участок перекристал-
лизации;
4	— участок неполной пе-
рекристаллизации,
5	— участок рекристал-
лизации;
6	— участок старения
На рис. 2-47 приведена
схема строения зоны терми-
ческого влияния при сварке
однослойного стыкового шва
на конструкционных сталях.
Рассмотрим на этом примере структурные превращения в око-
лошовной зоне. Первый участок зоны примыкает непосред-
ственно к металлу шва. Основной металл на этом участке
находится в твердо-жидком состоянии. Здесь и происходит
собственно сварка, т. е. формирование кристаллитов шва на ча-
стично оплавленных зернах основного металла. Участок имеет
небольшую ширину. По своему составу и структуре он отличается
от соседнего участка основного металла. За время контакта жидкой
и твердой фаз в нем протекают диффузионные процессы и разви-
вается химическая неоднородность.
Совокупность первого участка околошовнои зоны и погранич-
ного участка металла шва именуют зоной сплавления или пере-
ходной зоной. Свойства переходной зоны оказывают подчас ре-
шающее влияние на работоспособность сварной конструкции.
На этом участке часто образуются трещины, ножевая коррозия,
усталостные разрушения при вибрационной нагрузке, хрупкие
разрушения и т. и. Поэтому дальнейшее изучение свойств пере-
ходной зоны представляет первостепенный интерес. Ширина пе-
реходной зоны зависит от природы источника нагрева, теплофи-
зических свойств, состава и толщины (до определенных пределов)
основного металла, режима сварки и других факторов.
Второй участок околошовной зоны, получивший название
участка перегрева (участка крупного зерна), включает металл,
нагретый до температуры примерно 1200° С до температуры плав-
ления. Металл на этом участке претерпевает аллотропические
превращения. При нагреве a-железо переходит в у-железо, при-
чем в результате значительного перегрева происходит рост аусте-
нитного зерна.
Характер вторичной структуры металла на этом участке зави-
сит от его состава и термического цикла сварки. Например, при
электрошлаковой сварке низкоуглеродистой стали образуется
крупнозернистая видманштеттова структура. Обычно, особенно
в тех случаях, когда перегрев сочетается с последующей закалкой,
92
металл на втором участке околошовной зоны обладает Худшими
свойствами (меньшая пластичность, меньшая стойкость против
перехода в хрупкое состояние), чем основной металл вне зоны тер-
мического влияния. Задача выбора рациональной технологии
сварки сводится в первую очередь к обеспечению наименьшего
ухудшения свойств металла на этом участке.
Третий участок околошовной зоны получил название уча-
стка перекристаллизации (нормализации). Он включает ме-
талл, приобретший в процессе нагрева полностью аустенитную
структуру.
Четвертый участок околошовной зоны, получивший название
участка неполной перекристаллизации, включает металл, нагретый
от температуры, при которой во время нагрева начинаются алло-
тропические превращения (~720° С), до температуры около 880° С.
Металл на этом участке подвергается только частичной перекри-
сталлизации. Поэтому здесь наряду с зернами основного металла,
не изменившимися в процессе сварки, присутствуют зерна, обра-
зовавшиеся при перекристаллизации. Изменения структуры ме-
талла на этом участке значительно меньше влияют на качество
сварного соединения углеродистых конструкционных сталей, чем
изменения, происходящие в первых трех участках.
На пятом участке околошовной зоны, именуемом участком
старения при рекристаллизации, металл нагревается от темпера-
туры примерно 500° С до температуры несколько ниже темпера-
туры 720° С. Здесь происходит сращивание раздробленных при
нагартовке (ковке, прокатке) зерен основного металла и некоторое
разупрочнение его по сравнению с исходным состоянием. Снижение
прочности наблюдается также при сварке основного металла, под-
вергшегося упрочняющей термообработке. На этом же участке
околошовной зоны при сварке углеродистых конструкционных
сталей с содержанием до 0,3% С при некоторых условиях наблю-
дается снижение пластичности и ударной вязкости и повышение
прочности металла. Можно предположить, что это обусловливается
старением после закалки и дисперсионным твердением.
Старение после закалки является результатом фиксирования
в состоянии пересыщенного твердого раствора при быстром ох-
лаждении металла от температуры 720° С до комнатной темпера-
туры примесей (углерода и азота) в количествах, соответствующих
их максимальной растворимости при температуре 720° С. В про-
цессе последующего вылеживания происходит распад пересы-
щенного твердого раствора и выделение избыточного количества
углерода и азота в виде тонкодисперсных карбидов и нитридов,
скапливающихся вокруг участков решетки.
Тонкодисперсные выделения и скопления атомов уменьшают
величину пластической деформации, что приводит к повышению
прочности и снижению пластичности металла. На практике сле-
дует учитывать возможное для стареющих металлов и сплавов по-
нижение пластичности на этом участке околошовной зоны. Умень-
93
шение пластичности при некоторых условиях может стать йриЧй-
ной снижения работоспособности конструкции. Следует учитывать
также некоторое разупрочнение металла, если он до сварки был
подвергнут упрочняющей термической или механической (наклеп)
обработке.
Далее расположен участок, нагретый от температуры около
100° С до температуры 500° С. Этот участок в процессе сварки не
претерпевает видимых структурных изменений. Однако при сварке
низкоуглеродистых сталей, содержащих повышенное количество
газов, на узком участке, нагретом до температуры 100—300° С
(рис. 2-47, участок 6), наблюдается резкое падение ударной вяз-
кости; оно вызвано, вероятно, старением металла после холодной
деформации. Так как этот участок расположен вне зоны концен-
трации напряжений, наличие его в большинстве случаев не пред-
ставляет непосредственной опасности для работоспособности кон-
струкции.
Выше была описана схема строения зоны термического влияния
при однопроходной сварке конструкционных сталей. При сварке
других металлов и сплавов характер структур в околошовной
зоне может быть другим.
При многопроходных швах строение околошовной зоны другое.
При сварке длинными участками, когда ко времени формирования
последующего прохода металл успел остыть до температуры окру-
жающей среды, различие проявляется в менее четком строении
околошовной зоны по всему сечению, кроме участка, расположен-
ного у последнего слоя. Это обусловлено повторным термическим
воздействием источника нагрева при наложении последующего
слоя. При сварке короткими участками околошовная зона дли-
тельное время находится при малоизменяющейся температуре,
что приводит к замедленному ее остыванию и соответствующему
изменению ширины и строения.
При многопроходной сварке околошовная зона размещается
не только в основном металле (см. рис. 2-44), но и в металле шва
(рис. 2-48). Строение околошовной зоны, расположенной в пределах
металла шва, значительно отличается от строения ее при распо-
ложении в основном металле.
В этом случае в интервале
первых трех участков в по-
давляющем большинстве слу-
чаев наблюдается образова-
ние мелкозернистых, обла-
дающих повышенной пла-
стичностью структур. Зона
крупного зерна вообще от-
Рис. 2-48. Околошовная зона в ме-
талле шва
94
сутствует, что, по-видимому, связано с наличием между столбча-
тыми кристаллитами прослоек, препятствующих дальнейшему их
росту.
Под влиянием теплового и деформационного воздействия сва-
рочного процесса может наблюдаться ухудшение свойств металла
зоны термического влияния по сравнению со свойствами основного
металла. Принятый технологический процесс сварки должен обес-
печивать по возможности оптимальные условия формирования
этой зоны и получение необходимого и достаточного качества ме-
талла на этом участке, от которого в значительной мере зависит
работоспособность сварных конструкций.
§ 2-9. Металлургические процессы
при сварке плавлением
Под термином «металлургические процессы» пони-
мают высокотемпературные процессы взаимодействия фаз, имею-
щие целью получение металла. Они, как правило, сопровождаются
переходом вещества из одной фазы в другую и могут являться ре-
акциями перехода, замещения и распределения элементов между
фазами. Так как металлургические процессы могут оказывать су-
щественное влияние на качество сварного соединения, их необ-
ходимо учитывать и по возможности использовать при сварке.
Для случаев сварки плавлением взаимодействующими фазами
являются жидкий и твердый металл, газ и жидкий шлак. Послед-
ний образуется при расплавлении шлакообразующих веществ
электродного покрытия или флюса, а также в результате взаимо-
действия металла и газа.
Процессы сварки плавлением обязательно включают нагрев
свариваемого и присадочного металла до расплавления, их
последующее охлаждение и затвердевание. В связи с этим взаимо-
действие фаз сперва идет в условиях повышения, а затем пони-
жения температуры. Это взаимодействие может быть эндотерми-
ческим, проходящим с поглощением теплоты, или экзотермиче-
ским, сопровождающимся выделением теплоты. Повышение
температуры усиливает эндотермические процессы и ослабляет
экзотермические. При понижении температуры имеет место про-
тивоположная тенденция.
При постоянных условиях (температура, давление и др.) ре-
акции взаимодействия фаз с течением времени стремятся дости-
гнуть равновесного состояния, при котором скорости прохождения
этих реакций в одном направлении становятся равными скоростям
их прохождения в противоположном направлении. Состояние
равновесия реакций взаимодействия фаз зависит от температуры.
Ввиду того, что температура в зоне сварки постоянно изменяется,
реакции взаимодействия фаз могут изменять как направление,
так и степень своего прохождения. При этом равновесие между реа-
гирующими веществами, как правило, не успевает устанавли-
ваться.
95
При всех способах сварки плавлением сварочная зона может
быть разделена на высокотемпературную и низкотемпературную
части. В высокотемпературной части сварочной зоны происходит
нагрев металла, в низкотемпературной — его охлаждение. При
дуговых способах сварки к высокотемпературной части зоны от-
носятся сварочная дуга и прилегающие к ней области, а именно
передняя часть сварочной ванны, конец электрода и капли элек-
тродного металла. К низкотемпературной относится хвостовая
часть сварочной ванны. При электрошлаковой сварке к высоко-
температурной части сварочной зоны следует отнести область
вблизи конца (торца) электрода, к низкотемпературной — осталь-
ной объем сварочной ванны. Имеются высокотемпературная и низ-
котемпературная части зоны и при других способах сварки плав-
лением.
Наиболее интенсивное взаимодействие фаз имеет место при
газовой и электродуговой сварке, когда длительность существо-
вания металла в жидком состоянии относительно велика. Вслед-
ствие большой концентрации энергии и малой площади пятна на-
грева при электроннолучевой и импульсной лазерной сварке дли-
тельность существования металла в жидком состоянии мала.
Скорость плавления, охлаждения и затвердевания металла ве-
лика, что затрудняет взаимодействие фаз. При электрошлаковой
сварке газовая атмосфера с металлом сварочной ванны непосред-
ственно не контактирует, вследствие чего основное значение имеет
лишь взаимодействие металла со шлаком.
Процессы взаимодействия фаз в зоне сварки протекают одно-
временно, однако для удобства описания сначала рассмотрим
взаимодействие металла с газовой фазой, а затем со шлаком.
Одной из главных задач при сварке плавлением является пре-
дупреждение вредного воздействия воздуха на металл. Эта задача
обычно решается с помощью газовой или шлаковой защиты зоны
сварки. Благодаря такой защите предупреждается доступ воздуха
и взаимодействие составляющих его азота и кислорода с жидким
металлом. Существенную роль при сварке может также играть
водород. Перечисленные газы при взаимодействии с металлом
могут физически в нем растворяться или же реагировать с ним
с образованием химических соединений. В первом случае металл
поглощает теплоту, во втором обычно происходит выделение теп-
лоты. Химические реакции в зависимости от растворимости
в жидком металле образовавшихся соединений можно разделить
на три подгруппы: реакции, продукты которых хорошо растворимы
в расплаве, реакции со средней их растворимостью и реакции,
дающие нерастворимые соединения.
В табл. 2-6 приведены характеристики растворимости водорода,
азота и кислорода в жидких металлах при их температуре плавле-
ния. В жидких, промышленно важных металлах, водород раство-
ряется физически, тогда как азот и кислород преимущественно
вступают с ними в химическое взаимодействие.
96
Таблица 2-6
Растворимость водорода, азота и кислорода в жидких металлах
(Дж. Ф. Ланкастер)
Характер взаимо- действия	Растворимость	н	N	0
Не обра- зуется соединение (эндотер- мическое растворе- ние)	Газ растворяется в металле	Ag, Al, Be, Са, Со, Сг, Си, Fe, Mg, Мп, Mo, N1, Pb, Pd, Pt, Rh, Ru, Sn, W, Zn	—-	Ag
	Газ не растворяется в металле	Au, Hg	Pb, Cr, Си, Ag, Au, Zn, Pb, металлы платиновой группы	Au, металлы платиновой группы
Образуется соединение (экзотер- мическое растворе- ине)	Соединение хорошо растворимо в металле	Редкоземель- ные металлы Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Th, V, Nb, Ta, U	Ti, Zr, Hf, Th, V, Nb, Ta, U	Ti, Zr, Hf, Th, V, Nb, Ta
	Соединение средне растворимо в металле	Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba	Co, Cr, Fe, Mn, Mo, W	Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba, Cu, Co, Cr, Fe, Mn, Mo, Ni, Pb, Sn, W
	Соединение нерастворимо в металле	—	Li, Na, K, Ba, Mg, Ca, Zn, Al	Al, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Cd
Водород, кислород и азот в газовой фазе находятся в молеку-
лярном виде Н2, N2 и О2. В жидком же металле перечисленные
газы растворяются в виде атомов (ионов) или же химических
соединений, содержащих один атом соответствующего газа. Об
этом свидетельствует установленная экспериментально зависимость
между парциальным давлением этих газов р в газовой фазе и ид
содержанием S в металле:
S = Kp1/’-.
Форма зависимости указывает, что газ растворяется в металле
в диссоциированном на атомы состоянии, например по реакции
И2^2 [Н ].
Так как водород растворяется в металлах с поглощением теп-
лоты, то с повышением температуры его растворимость возрастает.
7 Заказ Ns 782	§7
талла. С повышением температуры
Рис. 2-49.
Диаграмма растворимости водорода
и азота в железе
Однако затем следует сни-
жение растворимости водо-
рода, т. е. кривые раство-
римости водорода, а также
некоторых других газов
имеют восходящую и нисхо-
дящую ветви (см. рис. 2-49).
Такой характер зависимости
растворимости обусловлен
влиянием паров самого ме-
упругость паров металла по-
вышается, что соответственно снижает парциальное давление газа.
При температуре кипения металла атмосфера над ним полностью
состоит из паров металла, а парциальное давление газа равно
нулю. Поэтому в кипящем металле водород и другие газы не
растворяются.
При температуре плавления металла наблюдается резкое из-
менение растворимости газа. Ввиду того, что в твердом металле
растворимость газа меньше, чем в жидком, при затвердевании
металла газ должен из него удаляться. При неблагоприятных
условиях это выделение может сопровождаться образованием по-
ристости (см. § 35).
Большинство промышленно важных металлов взаимодействуют
с кислородом и азотом с образованием химических соединений,
которые или растворяются в металле, ухудшая его качество, или
же удаляются в шлак. Поэтому весьма важно обеспечить надежную
защиту зоны сварки от доступа воздуха. Особенно тщательной
должна быть защита таких химически активных металлов, как
титан, алюминий и их сплавы. С этой целью рекомендуется при-
менять инертную атмосферу или инертный флюс. Такую же за-
щиту рекомендуется применять при сварке сталей и сплавов, со-
держащих химически активные элементы. При сварке титана и его
сплавов необходимо защищать не только зону сварки, но и участки
металла, нагретые до температуры свыше 300° С.
Кроме кислорода воздуха жидкий металл может окисляться
водяным паром, двуокисью углерода и другими кислородсодер-
жащими газами, присутствующими в зоне сварки. При электро-
шлаковой сварке кислород, а также водород могут передаваться
металлу из окружающей атмосферы через жидкий шлак.
Испаряясь, металл, в свою очередь, влияет на состав газовой
фазы, изменяя этим условия прохождения дугового разряда, а
также электронного или лазерного излучения. Это испарение
носит избирательный характер, причем интенсивнее испаряются
элементы с более высокой упругостью пара. При сварке стали,
98
например, наиболее интенсивно испаряется Марганец, при сйарке
латуни — цинк. В результате избирательного испарения заметно
снижается концентрация летучих элементов в металле шва, что
необходимо учитывать при разработке технологии сварки.
Длительность взаимодействия жидких шлака и металла при
сварке плавлением обычно невелика. При дуговой сварке она
может колебаться от 10 с до 1 мин, а при электрошлаковой сварке
достигать нескольких минут. Это взаимодействие прекращается
после затвердевания металла и шлака.
Несмотря на относительную кратковременность, реакции взаи-
модействия шлака и металла при электродуговой сварке могут
проходить довольно энергично, что обусловлено высокими тем-
пературами нагрева металла и шлака, большими поверхностями
их контактирования и сравнительно большим относительным коли-
чеством шлака. Последнее в среднем составляет 30—40% массы
металла сварочной ванны при сварке под флюсом и до 10% — при
сварке по флюсу. Примерно такие же количества шлака образуются
и при ручной дуговой сварке качественными электродами. В связи
с весьма небольшим расходом флюса при электрошлаковой сварке
металл и шлак взаимодействуют слабее, чем при дуговой.
Происходящие между жидким шлаком и металлом реакции
взаимодействия являются или реакциями замещения, т. е. вытес-
нения из шлака в металл одного элемента другим, или же реак-
циями распределения элемента между металлом и шлаком. Реак-
ции замещения могут быть записаны в молекулярной или ионной
форме в зависимости от принятых взглядов на строение жидкого
шлака. Так, например, реакции восстановления кремния и мар-
ганца из шлака железом, при принятии молекулярной теории
строения шлаков, записывают так:
(SiO2) + 2 [Fe] 2 (FeO) + [Sil;	(2-15)
(MnO) + [Fe] (FeO) + [Mn],
Символы в квадратных скобках здесь и далее обозначают ме-
таллическую фазу, в круглых скобках — шлаковую фазу. В ион-
ной форме указанные реакции имеют вид
(Si4+) + 2 [Fe] 2 (Fe2+) + [Si];
(Mn2+) + [Fe] (Fe2+) + [Mn],
Различие между молекулярной и ионной формой записи ре
акций замещения состоит в том, что принимают существующими
в шлаке и реагирующими с металлом или молекулы свободных
окислов, или ионы. Стрелки в уравнениях реакций показывают,
что взаимодействие может идти в обоих направлениях. При вы-
соких температурах указанные реакции преимущественно идут
слева направо (восстановление кремния и марганца из шлака).
При снижении температуры равновесие этих реакций смещается
справа налево, т. е. марганец и кремний окисляются и переходят
7*	99
Из металла в шлак. Направление прохождения реакции зависит
также от концентраций (вернее активностей) реагирующих ве-
ществ.
Реакции распределения записывают так:
[FeS] (FeS).
В данном случае сера распределяется между шлаком и метал-
лом путем перехода через межфазную границу молекул сульфида
железа. Такой характер распределения серы наблюдается при взаи-
модействии с жидкой сталью кислого шлака.
Ввиду существенной зависимости взаимодействия фаз от тем-
пературы рассмотрим характер изменения температуры металла
в процессе сварки. Термические циклы, которые проходят основ-
ной и электродный металлы при сварке, неодинаковы. Капли рас-
плавленного электродного металла пролетают через дуговой про-
межуток или переходят через шлаковую ванну. При этом поверх-
ность их нагревается до высоких температур (при переходе через
дуговой промежуток •— до температуры кипения металла). Затем
капли попадают в сварочную ванну. Основной металл свариваемых
кромок подвергается менее интенсивному воздействию дуги или
шлаковой ванны, а поэтому меньше перегревается над температу-
рой плавления. Последующее охлаждение попавших в сварочную
ванну основного и электродного металлов происходит совместно.
В связи с этим металлургические реакции между металлом и шла-
ком в разных частях сварочной зоны проходят по-разному.
О характере прохождения металлургических реакций в разных
частях сварочной ванны можно судить по химическому составу
металла на конце электрода. После прекращения сварки на
конце электродной проволоки обычно остаются капли затвердев-
шего металла. Они представляют собой оплавленный, но не про-
шедший через дугу электродный металл. В табл. 2—7 приведены
данные о составе капель на конце электродной проволоки и ме-
талла шва, сваренного под флюсом АН-348 независимой дугой,
неплавящимся и плавящимся электродами. В качестве основного
металла использовали кипящую низкоуглеродистую сталь, элек-
тродного — сварочную проволоку Св-08А. В результате взаимо-
действия жидких флюса и металла последний обогащается крем-
нием и марганцем.
Как видно из табл. 2-7, больше всего кремния и марганца
содержится в металле шва, сваренного независимой дугой. Это
свидетельствует о том, что интенсивнее всего реагирует с флюсом
электродный металл, попадающий в шов через дуговой промежу-
ток. Однако и в других участках зоны сварки, находящихся вблизи
дуги, — на конце электрода, в передней части сварочной ванны,
металлургические реакции идут в том же направлении. При пони-
жении температуры металла и флюса реакции идут в обратном
направлении. Это позволяет условно разделить зону сварки на две
области. Первая из них находится вблизи дуги, где плавятся ме-
100
Таблица 2-7
Содержание кремния и марганца в основном, электродном
и наплавленном металлах, %
Металл	Si	Мп
Основной металл 		0,01	0,45
Сварочная проволока 		0,01	0,52
Капля на конце электрода 		0,15	0,63
Шов, сваренный независимой дугой (металл элек- трода, переплавленный дугой) 		0,20	0,86
Шов, сваренный неплавящимся электродом (пере- плавленный основной металл) 		0,04	0,56
Шов, сваренный в обычных условиях дугой пря- мого действия 		0,10—0,15	0,60—0,65
талл и флюс, и вторая — в хвостовой части ванны, где понижается
температура металла и шлака. Наиболее интенсивно взаимодей-
ствуют в сварочной ванне шлак и металл в жидком состоянии,
менее интенсивно действует жидкий шлак на затвердевший ме-
талл. Это происходит в течение сравнительно короткого времени,
когда шов уже затвердел, а шлак еще находится в жидком состоя-
нии. Интервал температур, в котором может происходить указан-
ное действие, с одной стороны ограничен температурой плавления
шлака, а с другой — температурой плавления металла. Например,
для сварки низкоуглеродистой стали под высококремнистым
марганцевым флюсом этот интервал температур составляет 300—
400° С, время взаимодействия жидкого шлака и твердого металла
шва для обычных режимов сварки не превышает 15—30 с. Вслед-
ствие взаимодействия со шлаком в поверхностном слое затвердев-
шего шва могут происходить окислительные процессы, причем
составы поверхностного слоя и основной массы шва не успевают
выравниваться (за счет диффузии).
С понижением температуры раскисляющая сила элементов
возрастает. Поэтому, если при высоких температурах возможен
переход кремния и марганца из шлака в металл, то при понижении
температуры эти легирующие элементы в стали окисляются и пере-
ходят в шлак. Слои металла на поверхности шва окисляются шла-
ком с образованием окисной пленки, которая прочно удерживается
на поверхности металла и способствует сцеплению с этой поверх-
ностью слоя шлака. При значительной величине силы сцепления
шлак с поверхности шва удаляется с трудом, при ее отсутствии
или малой величине шлаковая корка самопроизвольно отделяется
от шва.
Жидкие шлаки, в том числе и сварочные, являются электро-
литами. При прохождении через них электрического тока они
подвергаются электролитической диссоциации, что может влиять
на взаимодействие шлака и металла. Наиболее вероятно такое
101
ЁЛияние при электрошлаковой сварке, когда весь сварочный ток
проходит через жидкий шлак. При дуговой сварке под флюсом
доля тока, проходящего через шлаковую перемычку, невелика,
и поэтому возможное влияние электролиза мало.
При сварке переменным током ввиду частой смены полярности
влияние электролиза на химический состав металла шва незна-
чительно. Существенное значение электролиз может иметь лишь
при электрошлаковой сварке на постоянном токе. Например, в ре-
зультате применения постоянного тока при электрошлаковой
сварке и электрошлаковом переплаве можно достигнуть очистки
металлической ванны от таких нежелательных примесей, как
сера или водород.
В сварных швах всегда находятся неметаллические включения—
микроскопически малые частицы неметаллического вещества. Они
могут состоять из окислов, сульфидов, соединений фосфора,
нитридов и др. Большинство неметаллических включений имеет
эндогенное происхождение, т. е. образуются в металле свароч-
ной ванны или металле шва из растворенных загрязняющих эле-
ментов. Лишь небольшая часть неметаллических включений имеет
экзогенное происхождение, представляя собой мелкие частицы
застрявшего в металле шлака.
Основная причина образования неметаллических включений —
уменьшение растворимости загрязняющих элементов в металле
при снижении температуры. Это характерно для металлов и
в жидком, и в твердом состоянии. Резкое падение растворимости
примесей имеет место при кристаллизации жидкого металла. Рас-
творимость загрязняющих элементов изменяется и при фазовых
превращениях металла в твердом состоянии (см. § 36).
В отличие от неметаллических включений шлаковые включения
являются достаточно крупными частицами шлака, попавшими в ме-
талл шва вследствие резких нарушений технологического про-
цесса сварки.
В зависимости от состава основного металла и предъявляемых
к сварному соединению требований выбирают оптимальный хими-
ческий состав металла шва. Требуемый состав шва может быть
получен путем введения в него легирующих элементов из основ-
ного и электродного металлов, электродного покрытия или флюса.
При условии постоянства режима сварки химический состав ме-
Таблица 2-8
Значение коэффициента усвоения, %
Сварка	ДМп	ASi	АС	ДР
Под флюсом . . .	+(0,17-5-0,18)	+(0,12-5-0,13)	—(0,03-5- 0,035)	+0,008
Электрошлаковая	+(0,05-5- 0,07)	Практически не изменяется		
102
талла шва может быть рассчитан заранее. При этом исходят из
доли основного и электродного металлов в металле шва и их хими-
ческого состава, а также учитывают взаимодействие металла с га-
зовой фазой и шлаком. Расчетное содержание элементов в металле
шва определяют по формуле
= Ъл + (1 - Тэл) Wo] ± М	(2-16)
где [7?эл ] — аналитическое содержание элемента в электродном
металле, %; уэл — доля участия электродного металла в металле
шва; [До] — аналитическое содержание элемента в основном ме-
талле, %; АТ? —• коэффициент усвоения, определяющий переход
данного элемента из составляющих покрытия, флюса или из газа
в металл шва (+) или из металла шва в окружающую среду
или шлак (—).
Величину АТ? определяют опытным путем. Для примера
в табл. 2-8 приведены значения А/? при сварке низкоуглеродистой
стали низкоуглеродистой проволокой под флюсом АН-348-А
(сварка под флюсом) и под флюсом АН-8 (электрошлаковая сварка).
Из приведенных в табл. 2-8 данных и уравнения (2-16) видно,
что при заданном химическом составе основного металла состав
металла шва можно регулировать главным образом за счет из-
менения состава сварочной или присадочной проволоки и долей
основного и электродного металлов в металле шва. Требуемое
легирование металла шва при сварке качественными электродами
осуществляется в основном за счет входящих в покрытие ферро-
сплавов. Степень легирования шва может быть при этом настолько
велика, что, например, с применением обычной низкоуглероди-
стой проволоки можно получить высоколегированный наплавлен-
ный металл.
Чтобы обеспечить постоянство химического состава металла
шва и стабильность качества сварного соединения, необходимо
гарантировать постоянство состава и качества сварочных мате-
риалов.
Т ехнологические
особенности
основных процессов
сварки плавлением
§ 3-1. Сварка покрытыми электродами
Покрытые электроды применяют в основном при
ручном процессе. Сварку можно выполнять во всех
пространственных положениях и в условиях монтажа.
Сваривают черные и цветные металлы и различные
сплавы практически любой толщины. Покрытые
электроды находят достаточно широкое применение
и при наплавке. Основной объем работ при ручной
сварке выполняется электродами диаметром 2—6 мм
при силе тока 100—-400 А и напряжении дуги 18—
30 В. В ряде случаев используют электроды мень-
шего или большего диаметра.
При сварке покрытыми электродами металл шва
формируется главным образом за счет вводимого
в шов электродного металла, и поэтому производи-
тельность процесса определяется количеством элек-
тродного металла, переходящего в шов за час, смену
или сутки Это количество пропорционально коэффи-
циенту наплавки ан, величине тока и чистому вре-
мени горения дуги. Значение сс. зависит от физико-
химических свойств покрытия, рода тока и его по-
лярности, состава электрода, режима сварки и из-
меняется обычно в пределах 8—12 г/А-ч.
При расчете количества электродного металла,
расходуемого на сварку данного шва, исходят из
коэффициента расплавления электрода ар (см. § 2-6).
Коэффициент расплавления зависит от рода и по-
лярности тока, состава покрытия (при других спо-
собах сварки — от состава флюса или защитного
газа), величины тока и напряжения, плотности тока
в электроде и состава электродного стержня (или
электродной проволоки).
Коэффициент наплавки меньше коэффициента
расплавления на количество металла, теряемого на
104
разбрызгивание и испарение. Отношение количества бесполезно
затрачиваемого расплавленного металла ко всему количеству
расплавленного металла называется коэффициентом потерь
(см. § 2-6). Его значения изменяются в зависимости от плотности
тока в электроде, состава покрытия и режима сварки. Некоторые
усредненные значения коэффициента потерь для покрытых элек-
тродов и других видов защиты (для сравнения) следующие:
покрытые электроды 5—10%, углекислый газ 5—-12%, флюс
1—3%.
Если учесть, что при сварке покрытыми электродами до 15—•
20% длины стержня электрода теряется в виде неиспользуемых
отходов —• огарков, то общие потери на угар, разбрызгивание и
огарки составят до 30% стержня.
Выраженное в процентах отношение количества расплавлен-
ного металла, оседающего в виде брызг на основном металле,
к количеству перешедшего в шов электродного металла называют
коэффициентом набрызгивания. Чем выше значение этого коэффи-
циента, тем больше труда необходимо затратить для удаления
брызг со сварной конструкции.
Существует много методов повышения производительности
ручной сварки покрытыми электродами. Наиболее эффективным
из них является введение в состав покрытия железного порошка,
что приводит к повышению коэффициента наплавки до 18 г/А-ч
и позволяет значительно повысить производительность процесса
по сравнению со сваркой обычными электродами. В этом случае
в образовании шва принимает участие не только металл электрод-
ного стержня, но и металл, вводимый в состав покрытия в виде
железного порошка. Электроды данного типа получили название
высокопроизводительных. Коэффициент потерь для них имеет
положительную величину, так как при определении значения
коэффициента расплавления учитывается только металл, полу-
ченный от расплавления стержня, а при определении коэффициента
наплавки учитывается и металл, перешедший из покрытия.
Сварку высокопроизводительными электродами можно вы-
полнять переменным и постоянным током (прямой полярности),
преимущественно в нижнем положении. Источники питания
должны иметь повышенное напряжение холостого хода.
Из методов повышения производительности ручной сварки
следует указать также сварку сдвоенным электродом, пучком
электродов, трехфазной дугой и сварку с глубоким проваром.
При сварке сдвоенным электродом процесс ведут двумя стерж-
нями, соединенными между собой контактной точечной сваркой
(рис. 3-1). Дуга перебрасывается (блуждает) с электрода на элек-
трод, попеременно оплавляя их. Производительность процесса
в случае применения сдвоенных электродов повышается на 20—
40% по сравнению со сваркой одним электродом. Повышение про-
изводительности достигается в результате некоторого увеличения
коэффициента наплавки за счет подогрева электрода проходящим
105
Рис. 3-1. Сварка спаренным электродом
током при горении дуги на втором элек-
троде, увеличения периода горения дуги
и снижения затрат времени на смену элек-
тродов.
При сварке пучком,т. е. одновременно
несколькими покрытыми электродами,
соединенными между собой прихватками
в месте крепления их в электрододер-
жателе в общий пучок, ток через элек-
трододержатель подводится ко всем входящим в пучок элек-
тродам. Так же, как при сварке сдвоенным электродом, дуга
возбуждается на электроде, находящемся на более близком рас-
стоянии от свариваемого изделия. При обгорании этого электрода
дуга перебрасывается на другой электрод, расположенный в дан-
ный момент ближе к свариваемому изделию, чем предыдущий, и
так далее. Электроды, расположенные вокруг плавящегося элек-
трода, подогреваются теплотой излучения сварочной дуги. Про-
изводительность сварки пучком электродов повышается на 40—•
50% за счет некоторого повышения коэффициента наплавки и уве-
личения коэффициента использования сварочного поста.
При сварке трехфазной дугой обычно применяют два электрода,
к которым подводятся две фазы от источника питания. Третья
фаза подводится к детали. Электроды можно закреплять раз-
дельно в двух обособленных держателях или располагать в одном
держателе. Применение трехфазной дуги позволяет повысить
производительность сварки на 50—60%.
При всех упомянутых способах повышения производитель-
ности процесса существенно затрудняется манипуляция электро-
дом вследствие утяжеления электрододержателя, увеличения
сечения электродов и, кроме того, несколько ухудшается форми-
рование шва, что и определяет ограниченное применение этих
методов.
Значительным резервом увеличения производительности руч-
ной сварки является проведение организационных мероприятий,
обеспечивающих повышение коэффициента использования сва-
рочного поста и выбор разделки, предопределяющий минималь-
ное сечение шва.
При сварке с глубоким проваром (сварка с опиранием, сварка
ультракороткой дугой) повышение производительности процесса
достигается не столько за счет увеличения силы тока (на 20—40%)
и коэффициента наплавки, сколько за счет обеспечения большей
глубины провара основного металла. Это позволяет уменьшить
глубину разделки кромок и сварить более толстый металл без
разделки кромок с большей скоростью. Сварку выполняют без
колебаний электрода поперек шва. При этом методе используют
электроды с несколько увеличенной толщиной покрытия. Внешний
106
диаметр электрода обычно равен 1,5 диаметрам электродного
стержня.
При сварке на конце электрода образуется втулка из нерас-
плавившегося покрытия, которой электрод опирается на изделие.
Сварку ведут при повышенной скорости с наклоном электрода на
15—20° углом назад. Наличие втулки на конце электрода, повы-
шение мощности дуги и отсутствие колебательных движений элек-
трода определяют концентрированный ввод теплоты в основной
металл и увеличение глубины провара. При повышенных силах
тока предпочитают использовать переменный ток, чтобы устра-
нить магнитное дутье, наблюдаемое при сварке постоянным током
и отрицательно сказывающееся на формировании шва Электроды
с глубоким проваром предназначены для сварки стыковых швов
в нижнем положении и угловых швов в «лодочку» на низкоугле-
родистых и низколегированных сталях. Широкого применения
они не получили.
Выполнять швы, расположенные в нижнем положении и на
вертикальной плоскости, можно автоматической сваркой покры-
тыми электродами диаметром 4—5 мм при силе тока 250—500 А
и напряжении дуги 20—24 В. Автоматическая сварка покрытыми
электродами всех видов находит ограниченное применение, что
связано с незначительным повышением производительности труда
при переходе от ручной сварки к автоматической. Производитель-
ность дуговой сварки определяется в основном величиной свароч-
ного тока.
При автоматической сварке покрытыми электродами не удается
повысить силу тока более чем на 20—30% по сравнению со сваркой
вручную. При большем увеличении тока резко возрастают потери
на угар и разбрызгивание и ухудшается формирование металла
шва, что проявляется в отсутствии сплавления между основным
металлом и металлом шва и бугристой неровной поверхностью
последнего. Поэтому производительность автоматической сварки
превышает производительность ручной сварки всего в 1,5—•
2 раза, что в большинстве случаев не окупает затраты на изго-
1—	покрытие запрес-
совано внутрь ме-
таллической обо-
лочки (порошко-
вая проволока)
2—	поверхность элек-
трода армирована
тонкой проволо-
кой, между вит-
ками которой
расположено по-
крытие,
5н 4 — на поверхно-
сти электрода
имеются вы-
ступы свобод-
ные от покры-
тия
107
товление и эксплуатацию специального оборудования. Для ав-
томатической сварки покрытыми электродами применяют спе-
циальные электродные проволоки. Конструкции некоторых из
них показаны на рис. 7-3.
Ручную сварку рационально применять для коротких швов,
расположенных в различных пространственных положениях и при
мелкосерийном характере производства. На монтаже применение
ручной сварки оправдано при небольшом объеме работ даже для
более протяженных швов. Целесообразно использовать ручную
сварку при ремонте.
Ручная сварка рациональна для выполнения прихваток при
сборке конструкций под сварку и при исправлении дефектных
участков шва небольшой протяженности. Тенденция развития
сварочной техники свидетельствует о том, что объем использования
ручной дуговой сварки будет сокращаться, но она еще долгое
время не потеряет своего значения.
§ 3-2. Сварка под флюсом
Сварка под флюсом в большинстве случаев исполь-
зуется как автоматический процесс. Полуавтоматическая сварка
под флюсом применяется в значительно меньшем объеме, чем ав-
томатическая. Процесс ведется преимущественно в нижнем по-
ложении. Объем работ, выполняемых при помощи сварки под
флюсом, из года в год увеличивается. Интенсивное развитие ав-
томатической сварки под флюсом обусловлено высокой произво-
дительностью этого способа, стабильным качеством сварки, малым
расходом электродного металла и электроэнергии и хорошими
условиями труда.
При сварке под флюсом производительность процесса по ма-
шинному времени повышается в 6—12 раз, что даже при коэффи-
циенте использования сварочной установки 0,5 в 3—6 раз пре-
восходит производительность ручной сварки покрытыми элек-
тродами. При сварке на специальных, так называемых форсиро-
ванных режимах, применяемых при изготовлении труб большого
диаметра и широкополых двутавровых балок, производительность
повышается в 15—20 раз. За счет повышения коэффициента ис-
пользования сварочной установки можно добиться значительного
дальнейшего роста производительности сварки под флюсом. По-
вышение производительности при автоматической сварке под
флюсом достигается за счет использования больших токов и повы-
шения плотности тока в электроде (табл. 3—1).
Резкое повышение абсолютной величины тока и плотности тока
в электроде без увеличения потерь на угар и разбрызгивание и
без ухудшения формирования шва возможно благодаря наличию
плотного слоя флюса вокруг зоны сварки; это предотвращает
выдувание жидкого металла шва из сварочной ванны и сводит
потери на угар и разбрызгивание до 1—3%. Увеличение силы тока
108
Таблица 3-1
Сила и плотность тока в электроде
при сварке покрытыми электродами и под флюсом
Диаметр электродного стержня или проволоки, мм	Сварка покрытыми электродами вручную		Автоматическая сварка под флюсом	
	Сила тока, А	Плотность тока, А/мм2	Сила тока, А	Плотность тока, А/мма
5	190 -350	10—18	700—1000	35—50
4	125—200	10—16	500—800	40—63
3	80—130	11—18	350—600	50—85
2	50—65	16—20	200—400	63—125
позволяет сваривать металл значительной толщины без разделки
кромок с одной или двух сторон (производительность сварки для
этого случая определяется в основном глубиной проплавления
основного металла) и увеличивать количество наплавляемого
в единицу времени металла. Коэффициент наплавки при сварке
под флюсом составляет 14—18 г/А-ч против 8—12 г/А-ч при
сварке покрытыми электродами. Повышение силы тока, увеличе-
ние глубины провара и коэффициента наплавки позволяют по-
высить производительность и при сварке многослойных швов.
Отсутствие брызг — также серьезное преимущество сварки под
флюсом, так как отпадает надобность в трудоемкой операции
очистки от них поверхности свариваемых деталей.
При сварке под флюсом обеспечивается высокое и стабильное
качество сварки. Это достигается за счет надежной защиты ме-
талла шва от воздействия кислорода и азота воздуха, однород-
ности металла шва по химическому составу, улучшения формы
шва и сохранения постоянства его размеров. В результате обеспе-
чивается меньшая вероятность образования непроваров, подрезов
и других дефектов формирования шва и отсутствие перерывов
в процессе сварки, вызванных необходимостью смены электродов.
За счет уменьшения доли электродного металла в металле
шва в среднем с 70% при сварке покрытыми электродами до 35%
при сварке под флюсом и уменьшения потерь на угар, разбрызги-
вание и огарки снижается расход электродного металла и электро-
энергии. Отпадает необходимость в защите глаз и лица рабочего
и несколько уменьшается количество выделяемых в процессе
сварки вредных газов, что улучшает условия труда. Для приоб-
ретения квалификации автосварщика необходимо затратить зна-
чительно меньше времени и средств, чем для овладения специаль-
ностью сварщика, работающего вручную.
Автоматическую и полуавтоматическую сварку под флюсом
применяют в заводских и монтажных условиях для выполнения'"
швов, расположенных в нижнем положении, обычно при толщине
109
металла 2—100 мм. Сваривают стали различного состава, медь,
титан, алюминий и сплавы на их основе. Сварку алюминия ведут
не под флюсом, а по флюсу (см. гл. 11). За рубежом под флюсом
сваривают и горизонтальные швы, расположенные на вертикаль-
ной плоскости. В отечественной промышленности этот способ из-за
трудности удаления шлаковой корки и удержания флюса не на-
ходит практического применения. Сварку под флюсом широко
используют и при наплавочных работах. Автоматическую сварку
под флюсом ведут сварочной проволокой сплошного сечения диа-
метром 1—6 мм при силе тока 150—2000 А и напряжении дуги
22—55 В, полуавтоматическую—-сварочной проволокой диаме-
тром 0,8—2 мм при силе тока 100—500 А и напряжении дуги
22—38 В. В обоих случаях возможно применение активированной
и порошковой проволок.
Основным методом автоматической и полуавтоматической
сварки под флюсом является сварка одной дугой. С целью повы-
шения производительности труда при сварке многослойных швов
одной дугой в разделку вводят металлические наполнители в виде
порошка, проволоки, окатышей и других материалов. В некото-
рых случаях наполнители вводят не только для увеличения про-
изводительности, но и для улучшения качества шва.
Для повышения коэффициента расплавления электрода можно
применять автоматическую и полуавтоматическую сварку под
флюсом с увеличенным вылетом электрода. При этом достигается
предварительный нагрев электродной проволоки на участке
вылета.
Повысить производительность процесса и качество сварного
соединения можно путем автоматической сварки под флюсом двумя
и более электродами. Различают многоэлектродную и многодуго-
вую сварку. При многоэлектродной сварке все электроды при-
соединены к одному полюсу источника питания. При многодуго-
вой сварке каждый из электродов подсоединен к отдельному источ-
нику питания и они электрически изолированы друг от друга.
Существуют две разновидности многодуговой сварки: сварка
в общую ванну, когда расплавляемый всеми дугами металл обра-
зует единую ванну, кристаллизующуюся как одно целое
(рис. 3-3, а); сварка в раздельные ванны, или, как ее называют,
Рис. 3-3. Сварка двумя дугами (стрелкой показано направление сварки):
а — в общую ванну,	б =* в раздельные ванны
по
Рис. 3-4. Сварка сдвоенным электродом:
а — продольное расположе- б — поперечное расположе-
ние электродов;	ние электродов
сварка раздвинутыми дугами, в этом случае каждая дуга обра-
зует свою ванну и последующая дуга расплавляет уже закристал-
лизовавшийся слой, сваренный предыдущей дугой (рис. 3-3, б).
Многоэлектродная сварка ведется только в общую ванну.
Промышленное применение находят такие разновидности
сварки в общую ванну:
А. Сварка сдвоенным электродом на обычных скоростях. При
этом способе электроды могут быть расположены так, как ука-
зано на рис. 3-4, а, б. Выбор схемы расположения электродов
зависит от условий сварки. Сдвоенный электрод применяют при
сварке по зазорам, при двусторонней сварке стыковых швов для
уменьшения глубины провара от первого слоя, при сварке много-
слойных швов и наплавочных работах. Повышение производи-
тельности сварки в этом случае достигается за счет увеличения
количества электродного металла, вводимого в сварочную ванну
за единицу времени.
Б. Сварка трехфазной дугой, при которой увеличивается
коэффициент наплавки, что обусловливает применение этого
способа для наплавочных работ, для сварки многослойных швов
и угловых швов большого сечения.
В. Двухдуговая или многодуговая сварка на больших ско-
ростях, при которой используют два наклонных электрода или
вертикальный и наклонный электроды (рис. 3-5, а). Вместо одного
вертикального электрода применяют также сдвоенный электрод
(рис. 3-5, б). Иногда в зону дуги подают присадочный металл.
При этих схемах удается увеличить глубину проплавления основ-
ного металла и улучшить формирование шва, что позволяет резко
повысить скорость, а следовательно, и производительность сварки.
Многодуговую сварку на больших скоростях применяют при из-
готовлении труб большого диаметра, балок различного сечения,
вагонных конструкций и др. Скорость при сварке угловых швов
в настоящее время достигает 90 м/ч, а при сварке стыковых швов —
111
Рис. 3-5. Расположение электродов при сварке на больших скоростях:
а — вертикальный и на-	б — сдвоенный верти-
клонный электроды;	кальный н наклон-
ный электроды
300 м/ч. Работы по изысканию путей дальнейшего повышения
скорости сварки продолжаются.
При сварке в раздельные ванны электроды располагают так,
как показано на схеме рис. 3-5, а. Минимальное расстояние между
дугами определяется длиной сварочной ванны, а максимальное —
длительностью пребывания шлака в жидком состоянии. Сварку
второй дугой следует вести по жидкому шлаку. При затвердева-
нии шлака процесс становится неустойчивым.
Сварка раздвинутыми дугами позволяет значительно повысить
пластические свойства сварного соединения за счет снижения
скорости остывания металла шва и околошовной зоны и повысить
производительность процесса за счет увеличения количества на-
плавляемого за единицу времени электродного металла. Способ
применяется при сварке швов на сталях, склонных к закалке,
и при сварке многослойных швов на толстом металле.
При сварке раздвинутыми дугами удается повысить стойкость
металла шва против кристаллизационных трещин. Этот эффект
обусловлен снижением доли основного металла в металле шва
и предварительным подогревом, достигаемым за счет действия пер-
вой дуги. Кроме того, вторая дуга почти полностью переплавляет
слой металла, образовавшийся за счет действия первой дуги.
При этом устраняются трещины, которые могли возникнуть
в первом слое.
§ 3-3. Сварка в защитных газах
Сварка в защитных газах обеспечивает достаточно
надежную изоляцию сварочной ванны при работе в заводских
условиях. При сварке на монтаже должны быть предусмотрены
Меры против нарушения газовой защиты потоками воздуха. На
112
эффективность газовой защиты влияют тин сварного соединения
и скорость сварки. С увеличением скорости сварки стабильность
защиты снижается.
Для обеспечения надежной защиты зоны сварки и сварочной
ванны от окружающего воздуха важное значение имеют расстоя-
ние сопла от изделия, размер сопла и расход защитного газа.
Чрезмерное приближение к изделию увеличивает забрызгивание
сопла, а удаление приводит к нарушению защиты зоны сварки.
При существующем оборудовании расстояние сопла от изделия
обычно выдерживают в пределах 7—25 мм.
Находит применение ручная и полуавтоматическая сварка не-
плавящимся (вольфрамовым или угольным) электродом и ручная,
полуавтоматическая и автоматическая сварка плавящимся элек-
тродом.
Сварку неплавящимся электродом тонкого металла без зазора
между кромками ведут без присадочного металла, сварку более
толстого металла выполняют с присадкой. Возможна сварка во
всех пространственных положениях.
Сварку в защитных газах, как правило, выполняют при напря-
жении 22—34 В. При этом обеспечивается надежная защита пла-
вильного пространства от окружающего воздуха и снижается
угар элементов, входящих в состав электродной проволоки. При
сварке неплавящимся электродом применяют стержни диаметром
0,8—25 мм и силу тока 400—300 А, при сварке плавящимся элек-
тродом — электродную проволоку сплошного сечения диаметром
0,5—4 мм (сила тока 50—700 А) и порошковую проволоку.
Газы, применяемые для защиты дугового промежутка, можно
отнести к таким основным группам: а) инертные газы; б) активные
газы; в) смеси газов.
Сварка с защитой инертными газами находит достаточно широ-
кое применение. Инертные газы не растворяются в металле сва-
рочной ванны и не образуют химических соединений с элемен-
тами, входящими в его состав. Серьезным недостатком этого
способа является высокая стоимость и дефицитность инертных
газов. Из инертных газов наиболее широко распространены в про-
мышленности аргон и гелий, обеспечивающие высокую устой-
чивость дугового разряда. Для сварки меди используют азот,
являющийся по отношению к ней инертным газом. В отечественной
практике наиболее широко применяется сварка в аргоне.
Сварку в аргоне (аргоно-дуговую сварку) ведут дугой пря-
мого действия неплавящимся, в основном вольфрамовым электро-
дом или плавящимся электродом, по составу близким к составу
свариваемого металла на переменном или постоянном токе прямой
полярности. Этот способ сварки применяют преимущественно
при изготовлении конструкций и аппаратуры из тонколистовых
высоколегированных сталей, титановых и алюминиевых сплавов.
Для обеспечения направленного переноса металла во всех про-
странственных положениях используют сварку с наложением
8 Заказ № 782	1 13
дополнительных импульсов. При сварке с защитой активными
газами наиболее широко используют углекислый газ. Некоторое
применение находит также водород.
Активные газы или продукты их диссоциации в процессе
сварки взаимодействуют с металлом сварочной ванны, раство-
ряются в нем или образуют с элементами, входящими в его состав,
химические соединения.
Сварка в углекислом газе осуществляется главным образом
плавящимся электродом, а иногда угольным электродом. В ка-
честве плавящегося электрода служат низколегированные сва-
рочные проволоки сплошного сечения и порошковые проволоки.
Сварку низколегированными проволоками сплошного сечения
ведут постоянным током обратной полярности.
При сварке постоянным током прямой полярности вследствие
более высокого содержания в металле шва водорода наблюдается
интенсивное образование пор. Сварка активированной проволокой
сплошного сечения возможна и на прямой полярности. Питание
дуги переменным током возможно при сварке порошковой прово-
локой, в состав которой введены стабилизирующие дугу вещества.
Использование вольфрамового электрода нецелесообразно, так
как углекислый газ при высоких температурах является энергич-
ным окислителем, приводящим к сгоранию электрода. Защита
углекислым газом применима в основном при полуавтоматической
сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей и в не-
которых специальных случаях, о чем будет сказано в главах,
посвященных технологии сварки различных сталей.
Полуавтоматическую сварку в углекислом газе можно выпол-
нять во всех пространственных положениях. Расширение области
ее применения идет за счет замены ручной сварки и полуавтомати-
ческой сварки под флюсом. Широкое использование полуавтомати-
ческой сварки в углекислом газе взамен ручной сварки покрытыми
электродами обусловлено большей производительностью, лучшими
условиями труда и меньшими требованиями к квалификации ра-
бочих. Перед полуавтоматической сваркой под флюсом ее преиму-
щества заключаются в возможности визуального наблюдения за
расположением электрода, отсутствии операций по удержанию и
удалению флюса и возможности выполнения швов во всех про-
странственных положениях.
Объем автоматической сварки в углекислом газе пока ограни-
чен, и в большинстве случаев она не может конкурировать со
сваркой под флюсом. Серьезным еще не устраненным недостатком
сварки проволокой сплошного сечения в углекислом газе является
интенсивное разбрызгивание металла, вызывающее засорение
аппаратуры и свариваемых деталей. Распространенные на прак-
тике методы снижения прилипания брызг пока нельзя считать
достаточно рациональными. Некоторые положительные результаты
в этом отношении достигаются при применении порошковой про-
волоки.
114
Рис. 3'6. Двойное сопло для сварки в смеси
газов:
1 н 2 — каналы для подачн первого
и второго компонентов смеси
В настоящее время еще нет доста-
точных данных для определения ра-
циональности применения того или
иного типа электродной проволоки.
Выбирать проволоку следует в зави-
симости от условий сварки. Повы-
сить производительность полуавто-
матической сварки в углекислом газе
можно путем применения форсиро-
ванных режимов сварки при увеличенном вылете электродной
проволоки и использования сварочной проволоки большего диа-
метра.
Сварка в водороде (атомноводородная сварка). Обычно сварку
ведут независимой дугой, возникающей между двумя вольфрамо-
выми электродами, подсоединенными к источнику питания пере-
менного тока с напряжением холостого хода примерно 300 В.
Струя водорода подается в зону дуги вдоль электродов. Сварку
ведут на длинной (звенящей) дуге при напряжении 70—150 В.
Расход водорода 1—3 м3/ч. Свариваемый металл нагревается за
счет теплоты, выделяемой в столбе дуги, и некоторого количества
теплоты, выделяемой при диссоциации и последующей рекомби-
нации атомов водорода на поверхности свариваемого металла.
Сварка в водороде, сперва получившая достаточно широкое
применение для соединения металла толщиной до 3 мм, в настоя-
щее время вытеснена другими способами и в первую очередь ар-
гоно-дуговой сваркой. Малое развитие этого метода определяется
взрывоопасностью водорода, необходимостью в источниках пита-
ния с высоким напряжением холостого хода и значительным ко-
роблением свариваемых деталей.
Сварка в газовых смесях. В практике применяют смеси инерт-
ных газов, смеси инертных и активных газов и смеси активных
газов. Для получения смесей используют баллоны с заранее
приготовленной смесью, специальные смесители, а в некоторых
случаях двойное сопло (рис. 3-6). Преимущества защиты смесью
газов сводятся к улучшению технологических и металлургических
свойств защитной атмосферы и к экономии дорогих газов. Защита
смесью газов применяется главным образом при полуавтоматиче-
ской сварке. Сварку можно вести во всех пространственных поло-
жениях. Для сварки цветных и активных металлов и специальных
сплавов наиболее эффективна аргоно-гелиевая смесь. Соотноше-
ние этих инертных газов в смеси может быть различным. Сварка
углеродистых и низколегированных сталей этим методом экономи-
чески нецелесообразна.
ь
И5
Известны двойные и тройные смеси инертных и активных газов
на основе аргона. Это двойные смеси Аг + О2; Аг + СО2; Аг + N3
и Аг + Н2. В тройных смесях обычно используют в разных соот-
ношениях аргон, углекислый газ и кислород. Смеси инертных
и активных газов в нашей стране не нашли широкого промышлен-
ного применения. В литературе имеются данные о возможности
использования многокомпонентных смесей.
Для сварки пригодны смеси активных газов СО2 + О2 и
СО2 + N2, но особенно смесь СО2 + О2, которую используют для
изготовления конструкций из низкоуглеродистых и низколеги-
рованных сталей. Добавление к углекислому газу кислорода в ко-
личестве до 30% несколько снижает разбрызгивание, улучшает
формирование шва и снижает стоимость защитной атмосферы.
Немного повышается стойкость металла шва против образования
пор, вызванных водородом. По остальным показателям качество
швов, выполненных в смеси углекислого газа и кислорода, не
уступает качеству швов, выполненных в углекислом газе. Для
сварки в рассматриваемой смеси применяют стандартные прово-
локи сплошного сечения, что и для сварки в углекислом газе.
Сварка в смеси СО2 + О2 возможна во всех пространственных
положениях.
Сварка без дополнительной защиты. Практическое применение
находит сварка активированной проволокой сплошного сечения
и порошковой проволокой. Сварку можно вести во всех простран-
ственных положениях.
Сварка активированной проволокой. При сварке в атмосфере
воздуха проволоками сплошного сечения из низкоуглеродистой
стали расплавленный металл обогащается азотом и кислородом,
что приводит к образованию пор и резкому снижению качества
металла шва. В состав активированной проволоки в связи с этим
кроме легирующих элементов вводят раскислители и элементы,
понижающие растворимость азота в жидком металле. Эти эле-
менты (алюминий, титан, церий, цирконий и др.) связывают азот
в стойкие нитриды, относительно мало влияющие на пластичность
и вязкость металла шва с ферритной структурой. При сварке акти-
вированной проволокой удается обеспечить требуемое качество
шва без дополнительной защиты.
В настоящее время практическое применение находит прово-
лока Св-20ГСТЮА с церием и проволока Св-15ГСТЮЦА. Первая
пригодна для сварки арматуры из углеродистой стали во всех про-
странственных положениях, кроме потолочного, на постоянном
токе обратной полярности. Проволока Св-15ГСТЮЦА служит для
сварки конструкций из углеродистых и марганцовистых сталей
во всех пространственных положениях на постоянном токе пря-
мой полярности. Преимущество сварки активированной проволо-
кой — возможность выполнения работ в любых атмосферных усло-
виях. Наличие ветра, сквозняка, осадков не влияет на стабиль-
ность защиты.
116
Активированную проволоку (диаметром 1—2 мм) используют
в основном при полуавтоматической сварке. Наличие на поверх-
ности основного металла окалины, ржавчины и следов масла от-
носительно мало влияет на качество шва.
Сварка порошковой проволокой. Для сварки без дополнительной
защиты применяют порошковые проволоки различного состава
(см. § 7-2). При сварке этими проволоками обеспечивается изоля-
ция сварочной ванны от окружающего воздуха и легирование
металла шва. При полуавтоматической сварке порошковой прово-
локой достигается хорошее формирование шва и незначительный
коэффициент набрызгивания металла.
§ 3-4. Особые методы дуговой сварки
Дуговая сварка без перемещения (подачи) электрода.
При сварке электрозаклепками дуговой процесс идет без подачи
электродной проволоки в зону дуги (рис. 3-7). Стержень из элек-
тродной проволоки диаметром 3—6 мм укрепляют в специальном
держателе—заклепочнике и прикасают к изделию в месте, где
должна быть электрозаклепка. Пространство вокруг электрода
засыпают флюсом. Напряжение от источника питания постоян-
ного или переменного тока подводится к свариваемой детали и
электродному стержню (через токоподводящее устройство закле-
почника). При включении тока конец электрода в месте его со-
прикосновения со свариваемой деталью расплавляется. Возбу-
ждается дуга, которая, оплавляя конец электрода и заваривая
точку, удлиняется до естественного обрыва. Этот же принцип
используется для заварки отверстий в металле.
Существует много типов электрозаклепочников. В серийном и
массовом производстве применяют машины для сварки нескольких
электрозаклепок — многоточечные машины. В зону дуги при
сварке электрозаклепок может подаваться также защитный газ.
Для получения электрозаклепок пригодна и тонкая электродная
Рис. 3-7. Дуговая сварка точками без подачи электрода:

1 — положение элек- 2 — процесс сварки;
трода перед свар- 3 — готовая точка
кой,
117
Рис. 3-8.
Вибродуговая наплавка
1 — наплавляемая деталь,
2 — сопло для подачн охлаж-
дающей жидкости на де-
таль;
3 — сопло для подачи охлаж-
дающей жидкости в зону
ДУГИ,
4—электродная проволока,
5 — механизм подачн прово-
локи,
6 — механизм вибрации
проволока, закрепляемая в обычных держателях для полуавто-
матической сварки. Процесс сварки в этом случае отличается от
процесса сварки швов только отсутствием перемещения дуги
вдоль свариваемого изделия.
Вибродуговая наплавка. Разновидностью стационарного дуго-
вого процесса является используемый в сварочной технике преры-
вистый дуговой процесс, получивший название вибродугового
(рис. 3-8). При помощи электромагнитного или другого меха-
низма тонкая электродная проволока подается к изделию и
отводится от него с частотой до 100 раз в секунду. При этом конец
электрода претерпевает возвратно-поступательное перемещение
с амплитудой 0,5—3 мм.
К электроду и изделию подводится напряжение от источника
питания постоянного или переменного тока. В конечный момент
подачи электрода к изделию происходит короткое замыкание
электрической цепи. В этот период за счет теплоты, выделяемой
в месте контакта электрода с изделием, образуется перемычка
из жидкого металла.
В следующий момент, при принудительном отходе электрода
от изделия, перемычка разрывается и возникает дуговой разряд.
В период дугового разряда происходит плавление основного
и электродного металлов и перенос жидкого электродного металла
на изделие. По мере отхода конца электрода от изделия дуга
растягивается и обрывается. Продолжительность горения дуги
может изменяться в зависимости от характеристики источника
питания. Дойдя до крайнего положения, электрод начинает снова
приближаться к изделию, пока вновь не наступит короткое замы-
кание. Далее процесс повторяется. Для охлаждения детали и
защиты сварочной ванны от окружающего воздуха на деталь
через специальные сопла подается струя жидкости (обычно ра-
створ кальцинированной соды или 25%-ный раствор техниче-
ского глицерина в воде). Возможен процесс с флюсовой защи-
той. Так как длительность существования дугового разряда
составляет всего —20 % времени общего цикла и чередуется с пе-
риодами полного отсутствия выделения теплоты (период холостого
хода) и периодом малого его выделения (период короткого замы-
кания), при вибродуговом процессе обеспечиваются неглубокий
118
провар основного металла, большие скорости остывания металла
сварочной ванны и наплавка слоя малой толщины (0,5—3 мм).
Зона термического влияния невелика.
Наличие охлаждающей жидкости позволяет увеличить скорость
охлаждения металла сварочной ванны и околошовной зоны, т. е.
повысить его прочность и уменьшить деформации. Эти особенности
вибродугового процесса послужили основанием для его приме-
нения при наплавке на детали небольшого размера с малой толщи-
ной стенок тонкого слоя металла, к качеству которого не предъяв-
ляются высокие требования, например при восстановлении термо-
обработанных деталей (осей, шеек валов малого диаметра, шпин-
делей токарных станков, автотракторных деталей).
Режим наплавки: сила тока 100—250 А, напряжение дуги 18—
25 В. Производительность процесса составляет 1—2 кг наплавлен-
ного металла в час. Структура и свойства металла шва не всегда
однородны.
Сварка короткой дугой. Для соединения тонкого металла во
всех пространственных положениях находит применение сварка
в защитных газах короткой дугой электродной проволокой диа-
метром 0,7—1,2 мм при силе тока 50—175 А и напряжении дуги
12—18 В. Характерной особенностью процесса, обусловленной
малым напряжением дуги, являются периодические (с частотой
20—200 раз в секунду) замыкания дугового промежутка, во время
которых происходит перенос электродного металла в сварочную
ванну. Процесс, несмотря на малую мощность дуги, весьма
устойчив и обеспечивает равномерное проплавление основного
металла.
Для сварки короткой дугой необходимы специальные источ-
ники питания с постепенным нарастанием тока короткого замы-
кания, обеспечивающие устойчивое возбуждение дуги. Если это
условие не соблюдено, то происходит взрыв жидкой перемычки
и дуга повторно не возбуждается. Наилучшие результаты для
защиты Дуги дает применение смеси из нескольких газов (аргона
и гелия, углекислого газа и аргона и др.). Сварка в чистом угле-
кислом газе затруднена из-за нестабильного повторного возбужде-
ния дуги и разбрызгивания металла.
Ваннодуговая сварка. Для соединения деталей небольшого сече-
ния прямоугольной и цилиндрической формы и, в частности, для
сварки арматуры железобетона находит применение ваннодуговая
сварка, являющаяся разновидностью дуговой сварки. Источни-
ком теплоты при ваннодуговой сварке служит дуга, горящая
между покрытым электродом и металлической ванной. Шов имеет
небольшую протяженность, а процесс ведется непрерывно, в ре-
зультате чего образуется металлическая ванна значительного
объема. Расплавление кромок свариваемого металла для этого
случая достигается не только за счет непосредственного воздей-
ствия сварочной дуги, но и за счет теплоты, выделяемой металли-
ческой ванной.
119
Рис. 3-9. Ваннодуговая сварка:
а — сварка одним электродом на остающейся подкладке,
б — сварка несколькими электродами на съемной подкладке
Для удержания жидкого металла служат остающиеся стальные
или съемные керамические и медные подкладки-формы (рис.
3-9, а, б), с трех сторон охватывающие место стыка. Подача элек-
трода по мере его плавления в зону дуги осуществляется вручную
или полуавтоматом. При некоторых условиях дуговой процесс
может переходить в электрошлаковый. Источником теплоты в этом
случае служит металлическая или шлаковая (образовавшаяся
за счет плавления покрытия электродов) ванна. В зависимости от
количества электродов различают одноэлектродную и многоэлек-
тродную (двумя электродами, пучком, гребенкой) ваннодуговую
сварку. Многоэлектродная сварка может осуществляться от одно-
фазных или трехфазных источников питания.
Сварка лежачим и наклонным электродом. В последнее время
достаточно широкое применение нашли давно известные, но мало
используемые ранее способы сварки наклонным (гравитационная
сварка, рис. 3-10) и лежачим электродом. Интерес к этим способам
обусловлен усовершенствованием оборудования и улучшением
качества электродов. Это позволяет одному рабочему обслуживать
три-четыре поста, что обеспечивает повышение производитель-
ности труда даже по сравнению
с полуавтоматической сваркой.
Электроды, применяемые для
сварки лежачим электродом, со-
стоят из внутреннего стержня,
нанесенного на него слоя покры-
тия и наружной оболочки круг-
Рис. 3-10. Сварка наклонным элек-
тродом:
1	— электрод;
2	— штатив Стрелкой ука-
зано направление пере-
мещения втулки штатива
120
лой или другой формы, имеющей продольный паз. Наличие паза
приводит к концентрации дуги на противоположной ему поверх-
ности электрода и стабилизации процесса сварки. Ток подво-
дится к внутреннему стержню и наружной оболочке. При
сварке наклонным и лежачим электродами обеспечивается хоро-
шее формирование шва.
§ 3-5. Электрошлаковая сварка
Электрошлаковую сварку производят при вертикаль-
ном или близком к нему положении оси шва (с углом наклона
до 30° к вертикали). Благодаря совпадению оси шва с направле-
нием силы тяжести значительно облегчается всплывание газовых
пузырей, шлака и других легких примесей и удаление их из
металла. Улучшается заполнение металлом междендритных пу-
стот. В результате склонность к образованию пор и других неплот-
ностей при электрошлаковой сварке во много раз ниже, чем при
дуговой сварке в нижнем положении: меньше чувствительность
к влажности шлака, ржавчине и загрязнениям кромок.
Вследствие благоприятного направления роста кристаллов
в большинстве случаев отсутствует так называемая зона слабины,
наблюдаемая в швах большого сечения, сваренных в нижнем по-
ложении. Это же обстоятельство значительно снижает склонность
швов к образованию горячих трещин. Температурные условия
в околошовной зоне характеризуются как большей погонной
энергией по сравнению с отдельным слоем многослойной сварки,
так и предварительным подогревом, создаваемым шлаковой ван-
ной. Нагрев кромок начинается на уровне поверхности шлаковой
ванны, а плавиться они начинают в непосредственной близости
от металлической ванны. Между началом подогрева и плавлением
проходит 2—3 мин и более, вследствие чего снижаются скорости
нагрева и последующего охлаждения металла.
Так как электрошлаковая сварка толстого металла произво-
дится в один проход, то устраняется наиболее распространен-
ный дефект многослойной сварки — шлаковые включения от не-
удаленного сварочного шлака. Металл любой толщины сваривают
без снятия фасок; разделка образуется зазором между прямыми
кромками. Благодаря этому стоимость подготовки кромок сни-
жается в несколько раз. Подготовку кромок производят, как пра-
вило, машинной газовой резкой. Однако и механическая обработка
кромок под электрошлаковую сварку обходится значительно де-
шевле, чем под дуговую. При прогибе длинной пластины или не-
точной форме обечайки получение заданного скоса кромки меха-
нической обработкой сильно затруднено, прямые же кромки
легко обрабатываются при любых искривлениях. Значительно
облегчается строгание кромок пакетом.
Благодаря симметричности разделки и положения в ней элек-
тродов отсутствуют угловые деформации свариваемых листов.
1?1
При электрошлаковой сварке следует различать расчетные,
сборочные и сварочные зазоры. Расчетный зазор — это фиктивная
величина, на основании которой подсчитывают размеры сваривае-
мых деталей. Величины расчетных зазоров приведены в ГОСТ
15164—-69. Сборочный зазор превышает расчетный на величину
ожидаемой деформации. Он обычно не одинаков по длине стыка и
расширяется кверху. Сварочный зазор — это зазор в месте сварки.
Он является элементом режима, так как от него зависит скорость
сварки.
Электрошлаковый процесс возможен при различных сечениях
и формах электродов, начиная с проволок диаметром меньше
миллиметра и кончая пластинами сечением в десятки квадратных
сантиметров. Наиболее часто применяют проволоки диаметром
3 мм или пластины толщиной 8—12 мм и шириной на 15—20 мм
меньше толщины свариваемого металла.
При большом диаметре сварочной проволоки и толщине ме-
талла до 60—100 мм мундштук может оставаться вне разделки.
Проволока проходит через аппарат, изгибается и подается в раз-
делку по дуге окружности с таким расчетом, чтобы на уровне по-
верхности металлической ванны ось проволоки совпадала с осью
шва. Этим обеспечиваются постоянство положения электрода
относительно оси разделки при колебаниях уровня металлической
ванны и непрерывный подогрев поверхности металлической ванны.
При больших толщинах металла и малом диаметре электрода такая
схема не обеспечивает точного направления электрода, мундштук
приходится вводить внутрь разделки. При этом электрод
выпрямляется внутри разделки, чем обеспечивается совпадение
осей шва и электрода независимо от положения металлической
ванны.
При сварке проволокой формирование лицевой стороны шва
(со стороны аппарата) выполняется скользящим ползуном. Для
обратной стороны шва применяют ползуны, неподвижные медные
подкладки или стальные привариваемые подкладки. Во всех
случаях, где это возможно, предпочтение следует отдавать пол-
зуну. Он требует меньше времени на установку, меньшего расхода
меди и затрат на изготовление, не требует дополнительных уст-
ройств для крепления, обеспечивает хороший обзор сварочного
пространства, позволяет продолжать сварку при выходе из строя
верхнего мундштука. Медную подкладку и остающуюся под-
кладку применяют в недоступных при сварке местах или при очень
неровной поверхности изделия.
При сварке плавящимся мундштуком и пластиной основным
элементом формирующего устройства является медная подкладка.
Однако в доступных местах при удовлетворительной поверхности
ее следует заменять ползунами. Привариваемая подкладка удобна
там, где ее можно использовать как сборочную. Однако применять
ее следует осторожно, так как создается концентрация напряже-
ний (особенно при угловых швах) и могут возникнуть трещины.
122
Кроме того, привариваемая подкладка требует большого расхода
металла, а подгонка ее к неровной поверхности затруднительна.
Ввиду неэлектропроводности твердого шлака для начала
электрошлакового процесса его необходимо расплавить и довести
до высокой температуры, при которой процесс идет устойчиво.
Практически нагрев осуществляется электрической дугой, воз-
буждаемой между электродом и изделием внутри разделки. По мере
расплавления шлак шунтирует дугу, гасит ее, и процесс пере-
ходит в электрошлаковый. Так как условия устойчивости электро-
шлакового процесса во многом противоположны условиям стаби-
лизации дугового разряда, то возбуждение дуги и наплавление
шлаковой ванны сопряжены с известными трудностями.
Заметно облегчить начало сварки можно уменьшением скорости
подачи электродной проволоки в начале процесса до 100—120 м/ч.
С этой целью механизмы подачи аппаратов для электрошлаковой
сварки имеют электродвигатели с регулируемой частотой враще-
ния. Еще больше облегчает начало сварки засыпка на дно вход-
ного кармана железного порошка слоем около 20 мм. При сварке
электродом большого сечения и отсутствии железного порошка
можно применять специальный флюс, электропроводный в твердом
состоянии.
Сварку начинают с горизонтально расположенной пластины
одинаковой толщины со свариваемыми листами (входная планка).
Во избежание образования в начале шва дефектов в пластине
делают вырез глубиной до 50 мм. За время заполнения выреза
металлом успевает установиться процесс и несколько подогре-
ваются кромки изделия. Перед началом сварки головку и ползун
устанавливают в такое положение, чтобы сварка началась на 30—•
50 мм ниже нормального уровня ванны. Вырез в начальной планке
заваривается без подъема аппарата. После того, как уровень ме-
таллической ванны займет заданное режимом положение отно-
сительно ползуна, включается вертикальное перемещение. Повы-
шенный вылет электрода в начале сварки ускоряет установление
электрошлакового процесса.
В начале сварки часто происходит короткое замыкание элек-
трода и его выгибание к передним или задним кромкам. Чтобы из-
бежать при этом повреждения ползуна или подкладки, их реко-
мендуется защищать тонкими полосками из жести, завернутыми
для изоляции в бумагу, или же тонкими деревянными пластин-
ками. Сварку следует начинать на повышенном напряжении.
После оплавления кромок изделия напряжение снижают до вели-
чины, заданной режимом.
В конце шва обычно образуется усадочная раковина глубиной
до 20—30 мм. Для вывода ее за пределы шва над разделкой уста-
навливают выводные планки высотой не менее 80 мм. Сварку
продолжают до переливания шлака через выводные планки. Дан-
ные, приведенные в табл. 3-2, действительны для низкоуглеро-
дистых сталей. Для высокоуглеродистых и легированных сталей
123
Таблица 5-2
Предельная толщина металла,
свариваемого электрошлаковым
способом, мм
Число электро- дов (прово- лок)	Без колебаний электродов	С колеба- ниями электродов
1	16—60	До 150
2	60—130	» 350
3	110—200	» 600
выгоднее сваривать дуговой
йределы могут быть уже. Ме-
талл толщиной 16—40 мм свари-
вается одним электродом с не-
подвижной осью, а толщиной
40—70 мм — одним электродом
с колебаниями. Электрошлако-
вую сварку металла толщиной
меньше 40 мм применяют только
взамен ручной сварки верти-
кальных швов, кантовка кото-
рых в нижнее положение невоз-
можна или невыгодна,
гих случаях такой
сваркой под флюсом.
По экономическим соображениям число электродов
увеличивать раньше, чем будет достигнут технический
свариваемой толщины. Однако производительность сварки растет
В дру-
металл
следует
предел
не пропорционально числу электродов, а значительно медленнее.
Если при меньшем числе электродов скорость подачи электродной
проволоки была принята максимально допустимой по условиям
отсутствия горячих трещин в шве, то, увеличивая их число, при-
ходится снижать скорость подачи.
Металл толщиной 70—150 мм выгодно сваривать двумя элек-
тродами, причем для металла толщиной свыше 85 мм следует при-
менять колебания электродов. В интервале толщин 70—85 мм
размах колебаний слишком мал, и осложнять процесс колебаниями
нецелесообразно. Металл толщиной свыше 150 мм сваривают, как
правило, тремя электродами с колебаниями. При сварке мундшту-
ками, вводимыми сбоку, больше трех электродов не применяют.
При сварке несколькими электродами их включают в трехфазную
систему питания. При этом для большей равномерности загрузки
сети и оборудования число электродов желательно выбирать
кратным трем.
§ 3-6. Электроннолучевая сварка
Высокая концентрация мощности в электронных
пучках и практически идеальные защитные свойства вакуума
открыли возможности разработки принципиально нового свароч-
ного процесса — электроннолучевой сварки. Ее применение при
изготовлении изделий из тугоплавких и химически активных
материалов (молибдена, вольфрама, ниобия, тантала и др.) позво-
ляет получить сварные соединения с узкой зоной термического
влияния и малыми деформациями без обогащения металла шва
вредными примесями. При сварке высокотеплопроводных мате-
риалов— меди, алюминия и их сплавов обеспечиваются высокий
термический коэффициент плавления и возможность получения
узких и глубоких швов при сравнительно малой мощности элек-
124
Рис. 3-11. Схема электроннолучевой сварки
толщины:
металлов малой (а) и большой (б)
1	— направление перемещения из-
делия;
2	— фронт кристаллизации,
3	— пучок электронов,
4	— направление испарения ме-
талла,
5	— направление выноса металла
в верхней части сварочной
ванны,
6	— поперечная усадка металла
сварного шва
тронных пучков. При сварке изделий из сталей обеспечивается
большая глубина проплавления и, следовательно, высокая произ-
водительность процесса при изготовлении конструкций из толсто-
стенных заготовок.
Параметрами процесса электроннолучевой сварки являются
ускоряющее напряжение (Пуск); сила тока пучка (/п); расстояние
от пушки до изделия (d) и от пушки до плоскости фокусировки
пучка (&); скорость сварки (псв); вакуум (р). Изменяя перечислен-
ные параметры процесса сварки, удается в широких пределах
изменять форму проплавления.
Сварку тонколистовых металлов (6	1—3 мм) обычно вы-
полняют расфокусированным пучком электронов при небольших
значениях удельной мощности в пятне нагрева. По термодеформа-
ционному циклу такая сварка почти не отличается от аргоно-
дуговой сварки неплавящимся электродом (рис. 3-11).
При сварке толстолистовых металлов используют острофокус
ные пучки электронов. Процесс сварки толстолистового металла
состоит из следующих этапов. В начале ввиду высокой концен-
трации энергии в пятне нагрева и высокого температурного гра-
диента происходит преимущественное испарение металла. Далее,
по мере нагрева, металл плавится и образуется сварочная ванна.
Потоки паров, истекая в вакуум, силой реакции воздействуют
на жидкий металл, вытесняя его из зоны нагрева. При этом ого-
ляемые глубинные слои металла, воспринимая энергию электро-
нов, плавятся, испаряются и вытесняются, пока не наступает
Динамическое равновесие всех сил, действующих на жидкий ме-
талл. В результате в его толще образуется канал с большим отно-
125
шением глубины к диаметру. Воспринимающая энергию электрон-
ного пучка боковая поверхность канала имеет площадь, во много
раз превышающую сечение пучка. Канал устойчив, так как при
заполнении хотя бы части его жидким металлом резко увеличи-
вается количество поглощаемой этим металлом энергии, он вски-
пает и испаряется.
Характерной особенностью электроннолучевой сварки при
высокой плотности мощности являются большие скорости переноса
жидкого металла из зоны плавления в зону кристаллизации.
В верхней части сварочной ванны жидкий металл выносится на
поверхность свариваемого изделия и образует усиление, площадь
поперечного сечения которого достигает 10—15% общей площади
поперечного сечения проплавления. Колебания глубины про-
плавления присущи электроннолучевой сварке толстого металла,
но при правильной фокусировке и стабильных параметрах пучка
они не превышают 5% общей глубины проплавления.
При недофокусированном пучке увеличивается плотность энер-
гии в основании канала. Сварные швы получаются нестабильными
по глубине проплавления, в корне шва образуется много дефектов.
При перефокусировке пучка канал может иметь местное сужение,
что затрудняет удаление газов и вызывает пористость шва. Опти-
мальной в большинстве случаев является фокусировка пучка
несколько выше заданной глубины проплавления. При этом глу-
бина проплавления близка к максимальной, а изменения ее вели-
чины не превышают 5%.
В ряде случаев целесообразно колебать пучок электронов по-
перек стыка, вдоль стыка или разворачивать его по окружности.
Колебания расширяют технологические возможности и могут
быть рекомендованы для улучшения структуры, механических
свойств и сплошности металла шва; предотвращения частичного
несплавления кромок с обратной стороны шва, особенно при сварке
металлов больших толщин; сварки разнородных металлов; соеди-
нения трудносвариваемых металлов через переходной металл.
Для поступательного переноса пучка электронов необходимы спе-
циальные отклоняющие катушки, осуществляющие двойное пре-
ломление траектории электрона.
Сварка тугоплавких металлов. Электронным лучом свариваются
тугоплавкие металлы толщиной от нескольких десятых милли-
метра до 10 мм и более. Сварку следует выполнять на режимах
с минимальной погонной энергией, что обеспечивает мелкозерни-
стую структуру металла шва и минимальные размеры зоны терми-
ческого влияния. Приспособления для сварки не должны препят-
ствовать усадке сварного соединения при кристаллизации и охла-
ждении металла.
Перед сваркой изделия необходимо его тщательно зачищать
вблизи шва и околошовной зоны и подвергать травлению для уда-
ления окисных пленок. Расслоения на свариваемых кромках сле-
дует удалять шлифованием. Перед сваркой целесообразно очищать
126
поверхность зоны шва, нагревая ее расфокусированным электрон-
ным лучом.
При электроннолучевой сварке тантала и ниобия удается по-
лучать сварные соединения, которые при температурах выше
1100° С практически равнопрочны основному металлу. Ниобий
и тантал обладают неограниченной взаимной растворимостью и
поэтому хорошо свариваются между собой.
Удовлетворительно свариваются технический ванадий, сплавы
ванадия с вольфрамом (до 12% W).
При сварке изделий из молибдена и вольфрама возникают опре-
деленные трудности ввиду низкой пластичности сварных швов при
нормальной температуре, склонности их к образованию трещин и
хрупкому межкристаллитному разрушению.
Сварка разнородных металлов. Электроннолучевую сварку эф-
фективно используют для соединения изделий из разнородных
металлов. Параметры электронного луча в процессе сварки не-
обходимо строго контролировать, а распределение мощности
между свариваемыми кромками регулировать с помощью откло-
няющей системы.
Благодаря возможности сварки-пайки без оплавления более
тугоплавкого металла сводится к минимуму образование интерме-
таллических соединений. Толщина интерметаллической прослойки
по плоскости спая при этом не превышает нескольких десятков
микрометров, и поэтому интерметаллические прослойки не ока-
зывают существенного влияния на прочность и пластичность
сварного соединения.
В начале процесса сварки большая мощность электронного
луча затрачивается на предварительный высокотемпературный
нагрев более тугоплавкого металла, а затем электронный луч
переводится преимущественно на оплавляемый металл.
Типичными примерами соединений разнородных металлов
являются соединения меди с ниобием или молибденом, вольфрама
с ниобием, меди с нержавеющей сталью. При невозможности
непосредственного соединения разнородных металлов применяют
специальные многослойные вставки, изготовляемые, например,
на станах вакуумной прокатки. Ввиду малого коэффициента формы
шва при электроннолучевой сварке удается до минимума снизить
ширину вставки. Для соединения титановых сплавов с нержаве-
ющей сталью используют многослойные, вставки с крайними ком-
понентами из титана и стали и промежуточными слоями из вана-
дия и меди.
Сварка сталей. Применение электроннолучевой сварки для
соединения трудносвариваемых высоколегированных сталей и
сплавов аустенитного класса позволяет повысить стойкость швов
против образования горячих трещин. Сварку необходимо выпол-
нять со средней или небольшой скоростью и максимально дости-
жимой удельной мощностью в пятне нагрева. При хорошо свари-
вающихся сталях электроннолучевую сварку применяют для
127
осуществления соединений в труднодоступных местах (например,
на дне глубокой и узкой разделки кромок) или в случае, когда
допускается только присущее электроннолучевой сварке глубо-
кое и узкое проплавление с минимальными размерами зоны тер-
мического влияния и минимальными деформациями.
Возможно соединение высокопрочных сталей в термоупроч-
ненном состоянии без последующей термообработки. Для этого
следует обеспечить минимальное тепловложение в шов, достаточ-
ное лишь для получения полного проплавления, а также макси-
мальную скорость сварки (табл 3-3).
Сварка алюминиевых сплавов. Присутствие поверхностных
тугоплавких окисных пленок затрудняет получение хорошего
сварного соединения на сплавах алюминия. Хорошие результаты
дает применение для сварки алюминия и его сплавов импульсно-
модулированного по амплитуде пучка электронов. В процессе
импульсной сварки теплота выделяется во внутренних слоях ме-
талла под поверхностным слоем окислов, вследствие чего внутрен-
ние слои металла быстро расплавляются и частично испаряются.
Этот процесс действует подобно взрыву — окисные пленки ме-
талла не препятствуют сплавлению кромок.
Из всех источников сварочного нагрева плавлением только
электронный луч позволяет получать соединения термически
упрочняемых и нагартованных сплавов систем А1—Mg, Al—Zn—
Mg—Cu, Al—Си—Мп без существенного разупрочнения около-
шовной зоны. Коэффициент прочности сварных соединений на
сплаве АМгб 0,95—1,00; на сплавах АЦМ, Д20 и В95 0,75—0,85,
что на 15—-25% выше соответствующих значений для дуговых
способов сварки.
При подборе режимов сварки необходимо учитывать, что при
наличии легирующих элементов с высокой упругостью паров
(цинка, магния) наблюдается резкое повышение глубины про-
плавления по сравнению со швами на сплавах алюминия с медью
и марганцем.
Таблица 3-3
Режим сварки и результаты механических испытаний
сварных соединений некоторых сталей
Металл	Толщина, мм	Режим сварки			Свойства соединений				
		а*	2	ь/и ‘тЛ	2 2 - о	кгс/мм2	б, %	% ‘Ф-	2 о 2 » о
Сталь 20ХЗМВФ	15				74,1	84,3	12,8	58,0	4,5
Шов	—	30	180	20	77,8	87,6	12,0	54,2	11,2
Сталь ВНС2									
(Х15Н5Д2Т)	10	—	—	—	118,8	130,4	15,6	57,0	13,2
Шов	—	25	400	70	108,5	113,5	И.7	62,4	12,6
128
Таблица 3-4
Режимы сварки и механические свойства швов
на некоторых алюминиевых сплавах
Металл	Толщина, мм	Режим сварки			Свойства соединений		
		UyCK’ кВ	%- мА	V , у св’ м/ч	кгс/мм2	ан’ кгс«м/см2	а, гра- дусы
	3+3	15	70	90	32,8	3,0	90
АМгб	10+10	20	140	72	33,0	3,2	—
	30+30	23	180	30	31,0	2,8	—
	2,5+2,5	20	80	90	33,1	2,1	78
	4,5+4,5	22	150	60	35,5	1,8	65
В95	ю+ю	23	195	72	44,8	0,8	—
Для уменьшения пористости швов свариваемые кромки не-
обходимо подвергать химическому полированию или химическому
травлению с последующим шабрением. Химически полированные
поверхности менее склонны к дальнейшему окислению и гидрата-
ции, что позволяет выдерживать их более длительное время от
момента обработки до сварки. Присадочную проволоку также
следует подвергать химическому полированию.
Сварку алюминиевых сплавов необходимо выполнять на высо-
кой скорости (60—-90 м/ч), что повышает плотность соединения и
снижает потери легколетучих легирующих элементов (табл. 3-4).
Основные типы сварных соединений и техника их выполнения.
Для электроннолучевой сварки характерны как обычные типы
соединений, так и принципиально новые. Общее требование ко
всем типам соединений — точная сборка деталей перед сваркой.
Обычно отклонение оси пучка электронов от сварного стыка
в процессе сварки не должно превышать 0,2—0,3 мм. При толщине
свариваемых пластин до 5 мм допустимая величина зазора, как
правило, не превышает 0,05—0,07 мм. При увеличении толщины
пластин до 20 мм допустимая величина зазора возрастает до 0,1 мм,
но не более.
При увеличении зазоров свыше указанных пределов получить
удовлетворительное формирование стыковых швов без подрезов
практически невозможно. Наиболее эффективным способом устра-
нения подрезов является подача присадочной проволоки или же
сварка по технологическим буртикам, оставляемым при механи-
ческой обработке стыков. Сварка с присадочной проволокой
позволяет увеличить допустимый зазор в стыке до 0,5 мм, кроме
того, становится возможным металлургическое вмешательство
с целью предупреждения возникновения трещин. При сварке без
зазоров доля проволоки в металле шва при толщине основного
металла до 20 мм составляет около 25%. Изменяя величину
9 Заказ -N0 782	129
зазора в стыке и скорость подачи проволоки, можно довести долю
присадочного металла до 50%.
Электроннолучевую сварку с отбортовкой кромок на телах
вращения применяют преимущественно в радиоэлектронике и
приборостроении. В торцовых и стыковых соединениях с отбор-
товкой кромок допустимы зазоры до 0,5—0,7 мм и превышение
кромок до 1—2 мм. Однако в этом случае для обеспечения удо-
влетворительного формирования шва диаметр пятна на изделии
должен несколько превышать величину зазора.
Сварку металлов, значительно отличающихся по толщине
(например, приварка мембраны к корпусу и т. п.), выполняют
с предварительной разделкой кромок металла большей толщины
для выравнивания теплового поля в соединяемых деталях и до-
стижения симметричного проплавления.
Импульсную электроннолучевую сварку благодаря малому
тепловложению применяют при наличии в непосредственной бли-
зости от места сварки спаев металла со стеклом или керамикой.
Она способствует получению определенной ориентации кристалли-
тов металлов сварного шва, обеспечивающей вакуумную плот-
ность сварных соединений в течение длительного времени эксплуа-
тации. При тех же погонной энергии и скорости сварки проплав-
ление в импульсном режиме глубже, чем в непрерывном, особен-
но для тонколистовых материалов.
Сварка в узких разделках и труднодоступных местах
(рис. 3-12, а) является одним из преимуществ электроннолуче-
вой сварки перед известными способами сварки плавлением и
возможна благодаря малым размерам пучка в сечении, его длин-
Рис. 3-12. Некоторые типы соединений при электроннолучевой сварке:
а — сварка в узких разделках
и труднодоступных местах,
б — однопроходная сварка прони-
кающим лучом;
в — сварка через ребро жесткости;
г — вварка заглушек
130
нофокусности и автономности по отношению к свариваемому ма-
териалу. Однопроходную сварку расположенных на различной
высоте стыков проникающим пучком (рис. 3-12, б) выполняют
в редких случаях, так как она не обеспечивает достаточно стабиль-
ного формирования швов. В некоторых конструкциях теплообмен-
ников (рис. 3-12, б) сварку выполняют внедренным пучком через
ребро жесткости. Для исключения концентраторов напряжения
в корне проплавления, предотвращения дефектов в нем, а также
для выхода парогазовой фазы при вварке заглушек необходимо
подготовлять соединения в соответствии с рис. 3-12, г.
§ 3-7. Сварка лазерным излучением
Влияние параметров на размеры сварочной ванны.
Режим импульсной лазерной сварки определяется вводимой
в свариваемые детали энергией лазерного излучения Q, длитель-
ностью импульса t и радиусом светового пятна на облучаемой
поверхности свариваемых деталей г;. От перечисленных параме-
тров зависит освещенность в пятне Е = —----------обобщенный
nrft
и усредненный по длительности импульса и площади пятна энер-
гетический параметр. С учетом поглощательной способности по-
верхности металла А плотность тепловой мощности в пятне Fo —
= А —%-. Полную характеристику режима сварки дают сочета-
nrft
ния параметров Q, t, rt или Е, t, rf.
Влияние технологических параметров на геометрические раз-
меры сварочной ванны определяется как величиной самих пара-
метров, так и формой и размерами свариваемых деталей, а также
и теплофизическими характеристиками основного металла.
Зависимость глубины проплавления h тантала от длитель-
ности импульса, показанная на рис. 3-13, получена при беспичко-
вом режиме генерации. Особенность этой зависимости состоит
в том, что при малых значениях длительности светового им-
пульса t глубина проплавления растет медленно, а при значе-
ниях t выше некоторого, характерного для данного значения Е,
рост h. существенно увеличивается и становится примерно про-
порциональным t. Кривая 2 на рис. 3-14 содержит эти два участка
зависимости. С увеличением Е длина медленно растущего участка
резко сокращается.
Зависимость глубины проплавления от освещенности в пятне,
при прочих равных условиях, может быть различной. При малых
значениях освещенности наблюдается медленное возрастание
глубины проплавления, а при больших — быстрое возрастание.
В случае беспичковой структуры генерации переход между этими
двумя участками весьма резкий.
С увеличением освещенности в области плавления металла
(исключая область сверления) диаметр расплавленной зоны
9*
131
Рис. 3-13. Зависимость глубины про-
плавления металла от дли-
тельности импульса излу-
чения при значениях осве-
щенности:
Рис. 3-14. Зависимость диаметра зоны
проплава (/) и коэффициен-
та формы проплава (2) от
средней освещенности в све-
товом пятне
1 — 0,78- 10е Вт/см2,
2—1,04-10» Вт/см2,
3—1,25-10» Вт/см2,
4 — 1,51- 10» Вт/см2
монотонно возрастает, а коэффициент формы проплавления со-
ответственно уменьшается (см. рис. 3-14).
Влияние расфокусировки на глубине проплавления металла
зависит от того, где размещено наименьшее сечение светового
пучка — под облучаемой поверхностью (положительная расфо-
кусировка) или над ней (отрицательная расфокусировка). В об-
ласти положительных расфокусировок эта зависимость имеет
максимум и глубина обработки изменяется более резко, чем при
отрицательных расфокусировках (рис. 3-15).
Несмотря на большую глубину проплавления, достигаемую
при положительных расфокусировках, практически использовать
указанное преимущество трудно, так как глубина проплавления
в этом случае более чувствительна к изменению величины расфо-
кусировки, чем в случае отрицательных расфокусировок, а это
приводит к нестабильности ре-
жима сварки.
Подбор оптимального режима
сварки осуществляется измене-
нием энергии излучения, диаметра
пятна излучения и длительности
Рис. 3-15. Влияние на глубину проплав-
ления никеля удаления наи-
меньшего сечения сфокусиро-
ванного пучка от облучаемой
поверхности Участок, распо-
ложенный между стрелками,
соответствует разрушению ме-
талла
132
импульса. Энергия излучения регулируется изменением напря-
жения накачки, диаметра отверстия диафрагмы и набором
оптических фильтров. Последние расположены перед фокусиру-
ющей линзой. Два первых метода регулирования технологически
менее удобны, чем третий, при котором проплавление металла прак-
тически прямо пропорционально плотности мощности в пятне.
Наиболее невыгодно варьировать напряжение накачки, так как
при этом изменяются длительность и пичковая структура лазер-
ного излучения.
Применение поляризационных ослабителей (например, призмы
Глана или стопы из плоскопараллельных пластин) в сварочных
установках с рубиновым лазером позволяет осуществить плавную
регулировку выходной энергии без изменения других параметров
сварочного режима. Недостатком этого метода являются высокая
стоимость поляризационных призм, большие габаритные размеры
стопы пластин.
Диаметр светового пятна на поверхности детали можно регу-
лировать, изменяя фокусное расстояние фокусирующей линзы,
или же расфокусируя излучение. Технологически более удобным
является последний метод.
Технологические особенности. Лазерную сварку можно с успе-
хом применять для получения различных типов сварных соедине-
ний из многих однородных и разнородных металлов. При сварке
стыковых соединений возможны три технологические схемы
нагрева:
1.	Фокусировка пятна нагрева на стык соединения при при-
мерно сходных теплофизических свойствах свариваемых металлов.
В результате получается практически симметричный сварной шов.
2	Смещение пятна нагрева в сторону более тугоплавкого
металла. Эту схему применяют в том случае, когда один из свари-
ваемых металлов значительно более тугоплавкий. При этом про-
исходит преимущественный нагрев и плавление более тугоплав-
кого металла. Плавление менее тугоплавкого металла осуще-
ствляется за счет теплоты, передаваемой его кромке от ра-
сплава.
3.	Сварка с преимущественным нагревом менее тугоплавкого
металла. В этом случае сварное соединение образуется в резуль-
тате процесса сварки-пайки.
Импульсная лазерная сварка стыковых соединений требует
тщательной подгонки кромок свариваемых деталей. Необходимо
обеспечить отсутствие скоса и повреждений кромок. В противном
случае шов получится ослабленным (в результате отсутствия при-
садочного материала) либо при чрезмерно большом зазоре кромки
оплавятся без образования общей сварочной ванны.
Сварка нахлесточных соединений возможна по двум схемам:
1. Сварное соединение образуется в результате плавления
обоих металлов. Схема применяется, если теплофизические свой-
ства металлов близки или верхний из металлов, нагреваемый
133
непосредственно лазерным излучением, имеет значительно боль-
шую температуру плавления (при достаточной его толщине).
2. Сварное соединение образуется только в результате процесса
сварки-пайки с плавлением верхнего листа, если верхний лист
менее тугоплавкий либо имеет значительно меньшую толщину,
чем нижний Увеличение жесткости режима сварки не позволяет
получить общую для двух металлов сварочную ванну, а приводит
к выплеску жидкого металла и образованию отверстия в верх-
ней детали без плавления нижней
При сварке нахлесточных соединений из тонких листов необ-
ходим хороший тепловой контакт между ними. Допустимая вели-
чина зазора мржду листами возрастает с увеличением толщины
верхнего листа и повышением жесткости нагрева при снарке.
Она зависит также ст свойств свариваемых металлов.
Количество энергии, поглощаемой металлом при лазерной
сварке, зависит от состояния поверхности. Поглощение энергии
возрастает с ухудшением обработки деталей Это влияние суще-
ственно и должно учитываться при выборе режимов сварки тон-
ких деталей (0,15 мм менее). Так, например, при сварке стыковых
соединений из тонкого металла необходимо обеспечить одинаковую
чистоту обработки кромок по всей длине шва, чтобы предупредить
выплески или непровары.
При сварке разнородных металлов наблюдается большая
структурная неоднородность металла шва и его неравномерная
микротвердость.
Качество шва зависит во многом от режима нагрева металла.
При сварке с малой освещенностью в пятне металл шва плотный
Рис. 3-16. Структуры швов в стыковых соединениях никелевых пластин, сва-
ренных на воздухе (а) и в среде аргона (б); хИ5
134
и хорошо сформированный. Сварка в режиме глубокого проплав-
ления ведет к частичному вытеснению жидкого металла, его ин-
тенсивному перемешиванию, нагреву металла сварочной ванны до
температур, близких к температуре кипения, и т. д. В результате
в сварном шве образуются поры, раковины и другие дефекты,
количество и размеры которых пропорциональны жесткости на-
грева (величине освещенности в пятне). Как правило, раковины
располагаются в корне шва, но могут образовываться также в дру-
гих его участках. Поры обычно располагаются на границе сплав-
ления с основным металлом (например, при сварке никеля).
С увеличением температуры жидкого металла и площади его
соприкосновения со сварочной атмосферой возрастает концентра-
ция поглощенных им газов. В некоторых случаях это способствует
образованию межкристаллитных микротрещин и повышению хруп-
кости металла шва. Результаты металлографического исследова-
ния показывают, что количество и размеры микротрещин
в шве на молибдене пропорциональны жесткости его нагрева.
Рис. 3-17. Структуры стыковых швов на молибдене толщиной 0,3 мм, выполнен-
ных лазерной сваркой.
а — без технологической вставки;
б — с технологической вставкой из никеля, X 115
135
Применение защитной атмосферы (аргона) способствует умень-
шению количества и размеров микротрещин.
Защита аргоном способствует также уменьшению пористости
швов. На рис. 3-16 показано стыковое соединение никелевых пла-
стин (толщиной 0,5 мм), выполненное шовной лазерной сваркой
в режиме глубокого проплавления. В шве имеются поры, рако-
вины, а его поверхность бугристая с окисной пленкой. Примене-
ние струйной защиты места сварки аргоном позволяет избежать
указанных дефектов. Поэтому качество и прочность сварных соеди-
нений, полученных на стали, титане, тантале и других металлах
с защитой инертными газами, выше, чем при сварке на воздухе.
Это различие увеличивается с возрастанием жесткости нагрева.
Исследования показали, что при лазерной сварке различных
металлов и сплавов, таких как алюминий, титан, медь, ниобий,
тантал, бронза, стали 08кп и Х18Н9Т, их сварные соединения
обладают достаточно хорошими механическими свойствами. Ис-
ключение составляют соединения стали с титаном и некоторых
тугоплавких металлов, например молибдена с вольфрамом, швы
которых имеют микротрещины и часто разрушаются под действи-
ем остаточных сварочных напряжений.
При лазерной сварке вольфрама и молибдена (например дета-
лей электровакуумных приборов) возможно использование тех-
нологических вставок, при сплавлении которых с основным ме-
таллом образуется сплав с более высокими механическими свой-
ствами. На рис. 3-17, а видно, что при лазерной сварке в аргоне
листов молибдена образовалась продольная межкристаллическая
трещина. Применение в этом случае никелевой вставки позво-
лило получить сварное соединение (рис. 3-17, б) с пределом проч-
ности при растяжении <тв = 40 кгс/мм2 и углом изгиба ф = 60°.
В настоящее время лазерная сварка металлов находится на
стадии внедрения в промышленность. Предполагается, что
этот метод микросварки найдет применение в приборостроении,
электровакуумной промышленности и микроэлектронике в основ-
ном для сварки анодно-катодных узлов, экранов и сеток ламп,
контактов микрореле, тонколистовых контактных элементов,
печатных схем и др.
Основной металл,
свариваемость,
напряжения
и деформации
при сварке
§ 4-1. Выбор основного металла
От правильного выбора металла для сварных кон-
струкций в значительной мере зависят их эксплуа-
тационная надежность и экономичность. В настоя-
щее время сварные конструкции в основном изго-
товляют из углеродистых и низколегированных ста-
лей, а также из алюминиевых и титановых сплавов.
Ниже изложены краткие характеристики металлов
различных классов и рекомендации по их выбору
для изготовления сварных изделий.
Конструкционные стали выплавляют в марте-
новских печах или конверторах. В зависимости от
степени раскисления они могут быть кипящими, спо-
койными и полуспокойными.
Значительная часть мягких углеродистых сталей
являются кипящими. При их разливке, вследствие
быстрого охлаждения, у стенок изложницы обра-
зуется наружный слой (корка) почти чистого железа.
В процессе охлаждения и дальнейшего затвердевания
жидкого металла происходит выделение газов, при-
водящее к образованию пузырей под затвердевшей
наружной коркой. В сердцевине такого слитка
скапливаются ликвирующие примеси — фосфор, сера
и углерод. После прокатки слитков кипящей стали
отчетливо различаются чистая наружная зона и
внутренняя ликвационная зона, в которой наблю-
даются участки с повышенным содержанием серы и
фосфора, так называемые сульфидные строчки.
Спокойные стали затвердевают без кипения, что
обусловлено введением в их состав элементов-рас-
кислителей.
Важной особенностью спокойной стали является
ее однородное строение. Вредные примеси — сера
и фосфор распределяются в ней более равномерно,
Чем в кипящей стали. Вследствие раскисления и
|37
одновременного частичного связывания азота спокойные стали
менее чувствительны к хрупкому излому, чем кипящие. Присад-
кой достаточного количества алюминия, который наряду с кис-
лородом связывает также азот, удается значительно снизить
их восприимчивость к старению. Образующиеся при этом мелко-
дисперсные нитриды приводят одновременно к уменьшению раз-
мера зерен и тем самым к уменьшению склонности стали к хлад-
ноломкости.
В полуспокойной стали добавлено такое количество раскисли-
телей, при котором газов выделяется меньше, чем при затвердева-
нии кипящей стали. Благодаря меньшей степени загрязнения
ликвирующими примесями головной части слитка при полуспокой-
ной стали обеспечивается несколько больший выход годного ме-
талла, чем при кипящей стали. Слитки полуспокойной стали
имеют меньшую химическую неоднородность, чем кипящей.
В связи с этим следует расширять применение полуспокойных
сталей. Исследования показали, что полуспокойную низкоугле-
родистую сталь СтЗпс (группы Б и В по ГОСТ 380—71) в листовом,
фасонном и полосовом прокате толщиной до 10 мм включительно
и в сортовом (круг, квадрат, арматура) размером до 16 мм можно
применять для сварных конструкций наравне со спокойной сталью
без каких-либо ограничений по температурным условиям эксплуа-
тации и виду нагрузок. Прокат больших толщин из полуспокойной
стали рекомендуется использовать в сварных конструкциях при
любых нагрузках, но с некоторыми ограничениями по температуре
эксплуатации. С целью снятия этих ограничений взамен толстого
проката из спокойной стали ВСтЗ следует применять сталь
ВСтЗГпс (ГОСТ 380—71) с повышенным содержанием марганца
(до 1,1%). Это обеспечивает высокие механические свойства и
ударную вязкость сварных соединений.
Основное количество стали выплавляют мартеновским спосо-
бом. В последнее время находят широкое применение конвертор-
ные стали. Конверторные процессы выплавки стали имеют
несколько разновидностей. Бессемеровскую и томасовскую конвер-
торные стали выплавляют с продувкой воздухом, они характе-
ризуются повышенным содержанием азота (0,01—0,02%). В тома-
совской стали также много фосфора (0,05—0,07%). Высокое со-
держание этих примесей отрицательно сказывается на стойкости
металла против перехода в хрупкое состояние и стойкости против
старения. Поэтому стали, выплавленные этими способами, не
применяют для сварных конструкций. В настоящее время разви-
вается производство сталей в конверторах с основной футеровкой
и продувкой кислородом сверху. При этом содержание азота
в готовом прокате не превышает 0,008%.
Низкоуглеродистые кислородно-конверторные стали в состоя-
нии поставки практически равноценны выплавленным в мартенов-
ских печах. По динамической (вибрационной и ударной) прочности
сварные соединения из такой стали, выполненные под флюсом,
138
6 углекислом газе и штучными электродами, также не отличаютсй
от изготовленных из мартенситной стали. Эти основные положи-
тельные показатели служебных свойств конверторных сталей
позволяют рекомендовать их применение для сварных конструк-
ций наравне с мартеновскими. В связи с этим в ГОСТ 380—71
способ выплавки сталей (мартеновский или конверторный) не
указывается и решается металлургическими заводами в зависи-
мости от производственных возможностей.
Состав и свойства низкоуглеродистых сталей регламентируются
ГОСТ 380—71, 1050—60 и 6713—53 и подробно рассмотрены
в гл. 9.
Низколегированные стали повышенной прочности поставляются
по ГОСТ 5058—65 и 5520—69, а также по различным техническим
условиям. Повышение предела прочности и текучести углероди-
стой стали обеспечивается только увеличением концентрации
углерода, что ухудшает свариваемость. Нередко в швах конструк-
ций из стали с повышенным содержанием углерода (свыше 0,3%)
возникают кристаллизационные трещины, которые в процессе
эксплуатации могут развиваться и быть причиной разрушения.
В связи с этим вместо сталей с повышенным содержанием угле-
рода ВСт4, БСт5, 30, 40 и других целесообразно во многих случаях
применять низколегированные стали повышенной прочности
с содержанием до 0,18—0,20% С. Требуемые высокие прочностные
характеристики таких сталей обеспечиваются за счет их допол-
нительного легирования другими элементами. Стойкость против
хрупкого разрушения сварных конструкций из сталей с повышен-
ным содержанием углерода ниже, чем из низкоуглеродистых и
низколегированных. Низколегированные стали целесообразно
применять в строительных конструкциях, краностроении, ваго-
ностроении, локомотивостроении, судостроении и т. п.
Для ответственных сварных конструкций, эксплуатирующихся
в районах, где температура может быть ниже —40° С, следует
рекомендовать легкосвариваемые низколегированные стали
09Г2С, 14Г2АФ, 16Г2АФ, 15Г2АФДпс, 18Г2АФпс, 09Г2, 10Г2Б,
16Г2Б, 15ХСНД и 16ГС, а для конструкций, работающих при
более высоких температурах,— 10ХСНД, 14Г2, 15ГС, 14ХГС
и др. Временное сопротивление этих сталей для толщин до 60 мм
составляет 45—55 кгс/мм2, а предел текучести 30—40 кгс/мм2.
Напомним, что предел текучести стали ВСтЗ составляет всего
23—24 кгс/мм2. Низколегированные стали должны удовлетворять
специальным требованиям по ударной вязкости при нормальной
и низких температурах, зависящим от условий эксплуатации.
В последние годы все более широкое применение находят стали
с пределом текучести свыше 60 кгс/мм2 и временным сопротивле-
нием до 100 кгс/мм2. Они характеризуются повышенной концен-
трацией марганца, содержат молибден (до 0,6%) и бор (0,002—•
0,006%). Как правило, эти стали имеют бейнитную структуру и
поставляются в термообработанном состоянии (закалка и отпуск).
139
Таблица 4-1
Относительная удельная прочность
при растяжении алюминиевых сплавов
по сравнению со сталями
Алюминиевый сплав	СО О	15ХСНД	10ХСНД
АМг5В	2,0	1,4	1,2
АМгб	2,5	1,8	1,5
АМг61	2,7	1,9	1,6
Конструкции из бейнитнЫХ ста-
лей весьма стойки против хруп-
кого разрушения. В Советском
Союзе к этому типу принад-
лежат стали 14ХМНДФР и
14Х2ГМР. Разработана техно-
логия их ручной дуговой, по-
луавтоматической и автомати-
ческой сварки. Эти стали нахо-
дят применение в экскаваторах,
шахтных подъемниках, резер-
вуарах для хранения горючих
веществ, напорных гидропри-
водах и т. п.
Алюминиевые сплавы все шире применяют в качестве замени-
теля стали благодаря следующим преимуществам (табл. 4-1):
более высокой удельной прочности (отношение временного сопро-
тивления к объемной массе); высоким механическим свойствам,
в частности ударной вязкости при низких и весьма низких тем-
пературах; более высокой стойкости против коррозии.
Удельная прочность алюминиевых сплавов значительно выше,
чем сталей, и особенно низкоуглеродистой стали СтЗ. Весьма
важной особенностью алюминиевых сплавов является их высокая
технологичность при обработке прессованием, прокаткой и ков-
кой. При проектировании имеется возможность выбирать наи-
более эффективные и рациональные профили проката (рис. 4-1),
обеспечивающие дополнительную экономию металла и снижение
трудоемкости. При этом резко сокращаются объем сварочных
работ и количество наплавленного металла.
Для ответственных сварных конструкций могут быть рекомен-
дованы алюминиево-магниевые сплавы АМг, АМгЗ, АМг5В,
АМгб, АМг61 с пределом прочности соответственно 14, 20, 26, 32
и 34 кгс/мм2. При сварке этих сплавов околошовная зона практи-
чески не разупрочняется. Более прочные дюралюминиевые термо-
обрабатываемые сплавы для сварных конструкций применять
пока нецелесообразно, так как при сварке прочность околошовной
зоны снижается. Восстановить полностью прочность путем есте-
ственного старения не удается. К недостаткам алюминиевых
сплавов можно отнести сравнительно низкий модуль упругости
(в 3 раза меньше, чем у стали) и
более высокий коэффициент тем-
пературного расширения. Этим
обусловлены большие деформации
при сварке.
Рис. 4-1. Профили из алюминиевых
сплавов
140
На рис. 4-2 приведены кривые
значения ударной вязкости, полу-
ченные при испытании алюминиевого
сплава АМгб, низкоуглеродистой
стали ВСтЗкп и низколегированной
стали 15ГФ. Характерно, что с пони-
жением температуры ударная вяз-
кость алюминия почти не снижается.
Исследования статической проч-
ности различных типов сварных сое-
динений из алюминиевого сплава
АМгб показали, что несмотря на
значительную концентрацию напря-
жений, вызываемую накладками,
статическая прочность сварных сое-
динений с понижением температуры
до —60° С не отличается от прочно-
Рис. 4-2. Ударная вязкость ме-
таллов:
1 — АМгб,
2 — ВСтЗкп;
3 — 15ГФ
сти при нормальной температуре. Приближения предела текучести
к пределу прочности с понижением температуры практически не
наблюдается, что свидетельствует о малой склонности сплава
к переходу в хрупкое состояние. Испытания сварных соединений
на ударную прочность при различных температурах также под-
твердили преимущества алюминиевого сплава перед низкоугле-
родистой и низколегированными сталями.
При усталостных испытаниях сварных соединений установлена
повышенная чувствительность алюминиевых сплавов к концен-
трации напряжений. Однако при обеспечении плавного перехода
от шва к основному металлу прочность сварных соединений при
переменных нагрузках практически такая же, как и самого сплава.
Из изложенного видны значительные преимущества алюми-
ниево-магниевых сплавов перед низкоуглеродистой сталью и ста-
лями повышенной прочности. Меньший эффект получается при
применении алюминиевых сплавов в конструкциях вместо сталей
высокой прочности с пределом текучести 50—60 кге/мм2 и более.
Однако эти стали пока еще очень мало используются. Таким об-
разом, имеются все основания широко применять алюминиевые
сплавы для сварных конструкций, в частности, эксплуатиру-
ющихся в северных районах, где температура может быть ниже
—50° С.
Титан и его сплавы среди новых конструкционных материалов
занимают значительное место. Титан и его сплавы обладают
сравнительно малой плотностью и поэтому могут быть отнесены
к числу легких металлов.
Чистый титан не находит широкого применения, так как обла-
дает небольшой прочностью — около 25 кге/мм2. В отличие от
чистого технический титан содержит ряд примесей, из которых
важнейшими являются азот, кислород, водород, а также углерод.
Эти примеси повышают прочность, однако несколько снижают
141
пластичность металла. Такой титан с временным сопротивЛёниём
40—55 кгс/мм2 и относительным удлинением 20—30% находит
применение в качестве конструкционного материала. При по-
вышенных температурах прочность технического титана падает,
однако даже при температуре 500° С все еще достигает 30 кгс/мм2.
Холодная обработка оказывает большое влияние на механи-
ческие свойства титана: она снижает пластичность и повышает
прочность и твердость металла. Так, 10 %-ное обжатие приводит
к повышению временного сопротивления на 20—25% и снижению
относительного удлинения при разрыве на 25—30%.
Титан и его сплавы обладают замечательными свойствами.
Они сочетают большую прочность при нормальной и высоких тем-
пературах с весьма большой коррозионной стойкостью. Благодаря
этому они являются ценнейшим конструкционным материалом
в авиационной промышленности, судостроении, химическом ма-
шиностроении и других отраслях промышленности.
Титан, так же как и алюминий, весьма чувствителен к кон-
центрации напряжений. Поэтому при работе сварной конструкции
в условиях переменных нагрузок следует обеспечивать плавный
переход от шва к основному металлу. Это достигается путем ме-
ханической обработки либо оплавления кромок аргоно-дуговой
горелкой.
§ 4-2. Свариваемость металлов и сплавов
Совокупность технологических характеристик основ-
ного металла, определяющих его реакцию на изменения, проис-
ходящие при сварке, и способность при принятом технологиче-
ском процессе обеспечивать надежное в эксплуатации и экономич-
ное сварное соединение, объединяют в понятие «свариваемость».
Свариваемость не является неотъемлемым свойством металла или
сплава, подобным физическим свойствам. Кроме технологических
характеристик основного металла свариваемость определяется
способом и режимом сварки, составом дополнительного металла,
флюса, покрытия или защитного газа, конструкцией сварного
узла и условиями эксплуатации изделия.
В зависимости от марки основного металла и условий эксплуа-
тации конструкции изменяется и совокупность показателей, опре-
деляющих понятие свариваемости. Так, под хорошей сваривае-
мостью низкоуглеродистой стали, предназначенной для изготов-
ления конструкций, работающих при статических нагрузках, по-
нимают возможность при обычной технологии получить сварное
соединение, равнопрочное с основным металлом, без трещин
в металле шва и без снижения пластичности в околошовной зоне.
Металл шва и околошовной зоны в рассматриваемом случае дол-
жен быть стойким против перехода в хрупкое состояние при тем-
пературе эксплуатации конструкций и при концентрации напря-
жений, обусловленной формой узла.
142
При сварке легированных сталей, применяемых для изготовле-
ния химической аппаратуры, под свариваемостью кроме указан-
ных выше показателей подразумевают также стойкость против
образования трещин и закалочных структур в околошовной зоне
и обеспечение специальных свойств (коррозионной стойкости,
прочности при высоких или низких температурах). При наплавке
деталей, работающих на истирание, особое значение приобретает
стойкость металла шва против эрозии, т. е. постепенного раз-
рушения его вследствие механического износа.
С развитием техники одновременно с усложнением условий
работы конструкций, применением высокопрочных конструкцион-
ных материалов и предъявлением повышенных требований к рабо-
тоспособности изделия увеличивается и число показателей, входя-
щих в понятие свариваемости.
В начальный период развития сварочной техники все материалы
и сплавы в зависимости от их способности образовывать сварные
соединения необходимого и достаточного качества разделяли на
обладающие хорошей, удовлетворительной и неудовлетворитель-
ной свариваемостью. Для сталей в основном эта характеристика
была связана с содержанием в них углерода. Современные знания
о природе сварочных процессов позволяют утверждать, что все
однородные металлы и сплавы могут образовывать при сварке
плавлением сварные соединения удовлетворительного качества.
Разница между металлами, обладающими хорошей и плохой сва-
риваемостью, заключается в том, что для соединения последних
необходима более сложная технология сварки (предварительный
подогрев, ограничение погонной энергии сварки, последующая
термообработка, сварка в вакууме, облицовка кромок и т. п.).
Усложнение технологии и применение специальных сварочных
материалов делает изготовление сварных конструкций из этих
материалов во многих случаях экономически нецелесообразным.
По мере усовершенствования существующих и разработки новых
сварочных процессов и сварочных материалов сокращается коли-
чество металлов и сплавов, изготовление сварных конструкций
из которых не обеспечивает необходимой работоспособности и
экономически нецелесообразно.
Оценку свариваемости, как правило, производят не по абсо-
лютным величинам, а по сравнению со свойствами ранее приме-
нявшихся материалов или со свойствами основного металла. Ре-
зультаты испытания на свариваемость признают удовлетвори-
тельными в том случае, если они соответствуют нормативам, уста-
новленным техническими условиями на данный вид продукции.
Ввиду того, что свариваемость определяется многими показа-
телями, не удается создать единую методику испытания, позво-
ляющую однозначно описать эту комплексную технологическую
характеристику. Поэтому для оценки свариваемости применяют
ряд испытаний. Выбор методов испытания обусловлен назначе-
нием конструкции и свойствами основного металла или сплава,
ИЗ
Под влиянием сварки происходят изменения структуры и
свойств металлов шва и околошовной зоны по сравнению с основ-
ным металлом. В процессе кристаллизации металла шва под воз-
действием возникающих при сварке растягивающих напряжений
возможно образование кристаллизационных трещин, являющихся
весьма серьезным дефектом (см. § 6-2). Стойкость металла шва
против кристаллизационных трещин является одним из важней-
ших показателей свариваемости. В металле шва могут появиться
и холодные трещины. Образование их при сварке низкоуглероди-
стых и низколегированных сталей наблюдается относительно
редко.
Под воздействием применяемого при сварке источника теплоты
в околошовной зоне изменяется структура основного металла, что
может привести к образованию околошовных холодных трещин
(см. §6-3). Стойкость металла околошовной зоны против образо-
вания трещин является вторым показателем свариваемости. Об-
разцы, применяемые в этом случае, служат и для выявления хо-
лодных трещин в металле шва.
Под воздействием сварки в металле сварного соединения про-
исходят процессы, которые могут привести к снижению стойкости
его против перехода в хрупкое состояние. Поэтому проводят
испытания стойкости металла околошовной зоны и шва, а также
сварного соединения в целом против перехода в хрупкое состояние.
Обычно металл шва по химическому составу и структуре за-
метно отличается от основного металла. Заметные изменения про-
исходят также в металле околошовной зоны. Это может при-
вести к существенному отличию прочностных и других специаль-
ных характеристик металла шва и околошовной зоны от свойств
основного металла. Поэтому в комплекс определения сваривае-
мости входит проверка механических свойств металла шва и свар-
ного соединения при различных температурах, а также стойкости
против коррозии, износостойкости и других специальных харак-
теристик.
§ 4-3. Основные методы
определения свариваемости
Применяемые на практике методы определения сва-
риваемости используются для проверки свойств основного металла
и выяснения пригодности данной технологии сварки или сварочных
материалов (электродов, сварочной проволоки, флюсов, защитных
газов) для изготовления конструкции, соответствующей требова-
ниям эксплуатации.
Все испытания, проводимые для определения показателей
свариваемости, условно можно разделить на две основные группы.
К первой группе относятся испытания, применяемые при разра-
ботке новых марок стали, новых способов сварки и сварочных
материалов, новых типов конструкций и при выборе марки стали,
144
которая при данной технологии обеспечивает возможность полу-
чения качественной конструкции. Эту группу испытаний прово-
дят, как правило, исследовательские организации в лаборатор-
ных условиях. Ко второй группе относятся испытания, приме-
няемые при проверке кондиционности данной уже изученной марки
стали или данного сварочного материала и при проверке пригод-
ности изученной марки стали для изготовления новых конструк-
ций. Вторую группу испытаний, как правило, производят в за-
водских условиях.
Методы определения показателей свариваемости можно раз-
делить на прямые, при которых оценку производят путем сварки
образцов заданной конструкции, и на косвенные, при которых
сварочный процесс заменяют другим, имитирующим его процес-
сом. Косвенные методы испытания следует рассматривать только
как предварительные. Результаты их в большинстве случаев
должны быть проверены путем прямых испытаний. Методы опре-
деления показателей свариваемости весьма разнообразны и много-
численны. В литературе описано более 200 таких методик. Тип
образца обычно выбирают исходя из стремления максимально
приблизить условия его испытания к условиям эксплуатации
конструкции.
Определение стойкости металла шва против образования кри-
сталлизационных трещин. Для определения стойкости металла
шва против кристаллизационных трещин используют ряд техно-
логических проб.
Наибольшее распространение находят образцы, имитирующие
реальные сварные соединения (тавровые, стыковые). Форму и раз-
меры таврового образца для испытания угловых швов выбирают
в соответствии с данными, приведенными на рис. 4-3, а и
Рис. 4-3. Образцы для определения стойкости металла шва против образова-
ния кристаллизационных трещин
а — тавровое соединение, б — стыковое соединение, $ — толщина металла,
= Л — 40 мм, В — 180 мм
Ю Заказ № 782	$46
в табл. 4-2. Образцы (не менее
трех) испытывают при опреде-
лении качества основного ме-
талла и сварочных материалов,
а также при проверке пригод-
ности новых видов и режимов
сварки в исследовательских
работах и при приемочных
испытаниях. Сварку следует
проводить на основном металле
толщиной 8 мм и более, содер-
жащем максимально допусти-
Таблица 4-2
Основные размеры таврового образца
для испытаний стойкости металла шва
против кристаллизационных трещин
Сварка	та та — X " J s 2 е • R. о -J
Автоматическая	. . .	400
Полуавтоматическая . . .	300
Ручная	. • .	200
мое для данного материала
количество вредных в отношении образования трещин элементов
(углерод, сера, кремний, никель, фосфор).
Контрольный шов сваривают на режиме, оптимальном для дан-
ного способа сварки, марки стали и толщины металла. При про-
верке новых режимов сварки контрольный шов сваривают на раз-
рабатываемом режиме. В табл. 4-3 для примера приведены режимы
автоматической сварки под флюсом проволокой диаметром 5 мм
низкоуглеродистых сталей с содержанием до 0,23% С и низколе-
гированных сталей с содержанием до 0,18% С.
Трещины выявляют внешним осмотром поверхности контроль-
ного шва после его сварки, излома шва после его разрушения или
вырезанных из шва макрошлифов. При проведении испытаний по
описанной методике можно получить только качественную харак-
теристику стойкости против образования кристаллизационных
трещин (наличие или отсутствие трещин). Количественную ха-
рактеристику можно получить, проводя сварку контрольного шва
на различных токах. Чем больше сила тока, при которой еще не
наблюдается образования кристаллизационных трещин, тем лучше
свойства испытуемого материала.
Для контроля основного металла и сварочных материалов и
определения пригодности принятых режимов сварки конструкции,
Таблица 4-3
Режимы * сварки контрольных швов
Толщина основного металла, мм	Катеты шва, мм	^св’ А	Ид, в	Ксв, м/ч
8—10	8	650—700	28—32	30± 1,5
11—20	9	700—750	30—34	25± 1,0
21—60	10	750—800	32—36	20± 1,0
* При ручной сварке тех же сталей покрытыми электродами диаметром 5 мм сила
тока равна 200—220 А.
Кб
ё которой основными являются стыковые швы, Применяют образец,
показанный на рис. 4-3, б. При толщине металла 5—14 мм раз-
делку кромок не производят. Контрольный шов сваривают в ниж-
нем положении. Длину образца выбирают по табл. 4-2.
Наличие трещин выявляют внешним осмотром поверхности шва,
излома шва после его разрушения или по макрошлифам. Путем
дополнительных испытаний может быть получена качественная
характеристика стойкости против образования трещин в зави-
симости от критического тока.
К группе технологических проб относятся составные образцы,
в которых наплавку производят на отдельные полосы или сег-
менты, скрепленные между собой прихватками или закрепленные
в жестком приспособлении (рис. 4-4, а), и образцы переменной
жесткости (рис. 4-4, б). Стойкость против образования кристалли-
зационных трещин определяют качественно по наличию или от-
сутствию трещин на поверхности шва и в изломе образца после его
расчленения. Для количественной оценки проводят испытания
по методикам МВТУ, ИМЕТ, Мюрекс и др.
По методике МВТУ образцы испытывают на специальной
машине, снабженной сменными зажимами для сборки и сварки
тавровых и стыковых соединений. Стойкость металла шва против
образования кристаллизационных трещин определяется крити-
ческой скоростью деформации, т. е. той максимальной скоростью,
при которой еще не возникают продольные трещины. Чем выше
эта скорость, тем больше стойкость металла шва против трещин.
Испытания проводят главным образом в исследовательских рабо-
тах для определения качества электродов, сварочной проволоки
и флюса.
Для оценки стойкости металла шва против кристаллизацион-
ных трещин часто применяют контрольный химический анализ.
Пробу для анализа отбирают от реального сварного соединения
или от специально сваренного образца. Методика отбора проб для
химического анализа регламентируется ГОСТ 7122—54. О стой-
кости металла шва против кристаллизационных трещин судят по
содержанию в нем вредных примесей (главным образом серы и
углерода). Критическое содержание примесей оговорено в техни-
ческих условиях на данный вид продукции.
Рис. 4-4. Образцы составной (а) и переменной (б) жесткости
10*	147
a)	V
Рис. 4-5. Образцы, имитирующие реальное нахлесточное (а) и стыковое (б)
сварное соединение:
1 — контрольный шов
Практика показывает, что ни одна из описанных проб не
дает четкой характеристики стойкости против кристаллизационных
трещин. Создание более совершенной методики испытаний яв-
ляется весьма актуальной задачей.
Определение стойкости металла околошовной зоны против
образования трещин. Трещины в околошовной зоне, как правило,
образуются при сварке среднеуглеродистых, высоколегированных
и среднелегированных сталей.
Методы испытания стойкости металла околошовной зоны про-
тив трещин дают в большинстве случаев качественную характе-
ристику (наличие или отсутствие трещин). Испытание следует
проводить на металле наибольшей применяемой в данном случае
толщины при максимальном содержании элементов, снижающих
стойкость металла против трещин (углерод, марганец, кремний
и др.). Образцы сваривают на трех режимах, характеризуемых
максимальной, средней и минимальной для данного способа
сварки погонной энергией.
Для испытаний обычно используют специальный образец,
имитирующий реальные сварные соединения (рис. 4-5, а, 6).
Осматривают образцы через 5—20 суток после сварки, что способ-
ствует наиболее полному вы-
явлению трещин. Трещины вы-
являются при внешнем осмотре
поверхности металла и по мак-
рошлифам.
Для количественной оценки
стойкости металла околошовной
зоны против образования трещин
служит образец, показанный
Рис. 4-6. Образец для количественной
оценки стойкости металла
против образования холод-
ных трещин
148
йа рис. 4-6. Образец собран из трех пластин толщиной не менее
4 мм с зазором не более 0,5 мм. Сварку проводят при нескольких
заданных нормативными документами температурах. После сварки
каждого шва образец доводят до заданной температуры, затем
сваривают последующий шов. Наличие трещин проверяют по
макрошлифам. Качественную оценку проводят по наличию или
отсутствию трещин, количественную—по минимальной тем-
пературе, при которой еще не наблюдается образования трещин.
Кроме прямых методов испытаний стойкости против образо-
вания околошовных трещин применяют и косвенные методы.
К ним относится определение углеродного эквивалента:
С — С + Мп- 4- — +	4- Сг 4- Ч_____—	(4-1)
6	। 24 г 10 г 5	'4	’14 '	'
Символ каждого элемента обозначает максимальное содержа-
ние его в металле (по техническим условиям или стандарту)
в процентах. Если углеродный эквивалент Сэк > 0,45%, то для
обеспечения стойкости околошовной зоны против образования
околошовных трещин и закалочных структур следует применять
предварительный подогрев до температуры 100—200° С. При
сварке металла небольшой толщины предельное значение Сэк
может быть повышено до 0,55%.
Определение стойкости металла против перехода в хрупкое
состояние. Любая, в том числе и низкоуглеродистая сталь в зави-
симости от условий эксплуатации может разрушаться пластично
или хрупко. В обоих случаях происходит транскристаллическое
разрушение, т. е. разрушение по телу зерна.
Для пластичного разрушения стали характерны следующие
признаки: поверхность излома обычно расположена наклонно
(приблизительно под углом 45°) по отношению к направлению
главных нормальных напряжений; поверхность излома матовая;
края разрушенного участка значительно деформированы. Для
хрупкого разрушения характерны следующие признаки: поверх-
ность излома обычно расположена перпендикулярно к направле-
нию главных нормальных напряжений; поверхность излома бле-
стящая; края разрушенного участка деформированы мало.
При нормальных температурах сталь имеет объемноцентри-
рованную кубическую решетку. Пластическая деформация яв-
ляется результатом сдвигов, вызванных касательными напряже-
ниями, и происходит в кристалле по плоскостям, проходящим по
диагоналям куба. Разрушения от касательных напряжений назы-
вают разрушением путем среза. Хрупкое разрушение проходит
по граням кубической решетки и обусловлено нормальными на-
пряжениями. Оно называется разрушением путем отрыва.
В соответствии с двумя видами разрушения можно говорить
о двух типах сопротивления разрушению: сопротивление срезу и
сопротивление отрыву (хрупкая прочность). Приведенная на
рис. 4-7 схема объясняет механизм перехода одного типа раз-
149
\	Рис. 4-7. Кривые, характеризующие хрупкое и
\	вязкое разрушение одного и того же
\	металла (А Ф Иоффе)
S \	\
§ _ \	\	рушения в другой. Кривая А отобра-
| рГ ’—жает изменение хрупкой прочности,
। х. I \	а кривая Б —• изменение предела теку-
।	чести в зависимости от температуры.
I	Выше температуры пересечения кри-
—р----------------- вых А и Б (7\) разрушение данного
’	2	материала будет пластичным, а ниже—•
хрупким. Кривая В проведена в предположении, что надрез
в металле повысил его предел текучести в 3 раза. Известно, что
предел текучести металла у корня надреза повышается. При тем-
пературе выше Т2 материал у надреза будет разрушаться пла-
стично, а ниже Т2 — хрупко. Температура перехода от хруп-
кого разрушения к пластичному находится в интервале 7\—Т2
в зависимости от наличия надреза и его формы.
Процесс хрупкого разрушения металла состоит из двух ста-
дий. На первой стадии в металле возникают значительные пласти-
ческие деформации. В хрупком изломе начальную стадию разру-
шения можно обнаружить по матовой поверхности. Вторая стадия
разрушения металла является процессом непрерывного роста
хрупких трещин, которые возникают на разных участках.
Развитие хрупкой трещины представляется следующим об-
разом. Впереди фронта главной трещины (рис. 4-8) образуются
микротрещины. Каждая такая микротрещина, развиваясь, рас-
пространяется в радиальном направлении до тех пор, пока не
встретит на своем пути другие развивающиеся микротрещины или
фронт главной трещины. Так как возникающие впереди фронта
главной трещины отдельные микротрещины не лежат с ней в одной
плоскости, то после их слияния образуются уступы в виде харак-
терного, так называемого «шевронного узора». Конец главной тре-
щины имеет форму параболы. При наличии шевронного узора
можно определить направление движения хрупкой трещины.
Этим пользуются для того, чтобы найти место, откуда началось
разрушение конструкции.
Как показывают опыты, скорость распространения хрупкой
трещины может достигать 1800 м/с. С возрастанием скорости рас-
пространения трещины шевронные уступы становятся все мельче
и, наконец, могут совсем исчезнуть.
Увеличение скорости распростране-
ния трещины может привести к ее
разветвлению, так как примерно
одинаковые напряжения возникают
Рис. 4-8. Схема процесса развития хрупкой
трещины
150
Рис. 4-9. Образцы для испытания на ударный изгиб с полукруглым (а), остро-
угольным (б) и ключевидным (в) надрезами:
I, II, III — профили надрезов
по широкой дуге трещины. Скорость распространения хрупкой
трещины настолько велика, что на ее распространение не успе-
вают влиять внешние силы. Поэтому надо считать, что энергия,
необходимая для образования новой поверхности трещины, по-
ступает из накопленной в металле упругой энергии.
Различные стали в зависимости от их химического состава
и структуры имеют разную стойкость против перехода в хрупкое
состояние. Чтобы судить о сопротивляемости данной стали пере-
ходу в хрупкое состояние, принято испытывать несколько одина-
ковых образцов при разных температурах. Та сталь, которая
имеет более низкую температуру перехода в хрупкое состояние,
считается лучшей.
В настоящее время широко распространено испытание на попе-
речный изгиб стандартных образцов с условным надрезом.
На рис. 4-9, а—в показаны образцы с полукруглым, остроуголь-
ным и ключевидным надрезами, применяемые для испытания на
ударный изгиб. Образцы вырезают из подлежащего исследованию
металла поперек или вдоль прокатки и испытывают при разных тем-
пературах. При понижении температуры наступает такой момент,
когда значение ударной вязкости резко падает. На рис. 4-10 видно,
что в интервале температур Тг—Т2 имеет место рассеяние резуль-
татов испытаний. Температура 7\ называется верхней, а Т2 —
нижней критическими температурами перехода в хрупкое со-
стояние.
151
Рис. 4-10. Изменение ударной вязкости в за-
висимости от температуры
Вырезая из стыкового соединения
образцы для ударного изгиба так,
чтобы разрез располагался в металле
шва, околошовной зоне или основном
металле, и испытывая эти образцы
при различных температурах, можно
определить для каждого участка ме-
талла температуры Тi и Т2. Сравнение этих температур показы-
вает, какой из участков стыкового соединения имеет более вы-
сокую критическую температуру. Эти испытания были предложены
в конце XIX в. и благодаря их простоте нашли весьма широкое
распространение. Однако описанный метод имеет существенные не-
достатки, которые не позволяют использовать его для решения
ряда возникающих в технике задач. Основные недостатки метода
испытания надрезанных образцов на ударный изгиб следующие:
1. Образец имеет малые размеры и надрез произвольно вы-
бранной формы. При других размерах и форме надреза результаты
испытаний образца будут другими. Поэтому получают только
сравнительные характеристики сталей. На основании таких испы-
таний нельзя предвидеть температуру, при которой может про-
изойти хрупкое разрушение стали при работе ее в определенной
конструкции.
2. Величина ударной вязкости состоит из работы, затрачивае-
мой на образование первой стадии хрупкого разрушения, на про-
текание второй стадии разрушения и на пластическую деформа-
цию сжатого участка образца. Так как в различных сталях энер-
гия, затрачиваемая на каждую из указанных стадий разрушения,
может быть различна и соотношение между этими энергиями также
может быть разное, нельзя быть уверенным в том, что получаемые
при испытаниях данные дадут правильную сравнительную оценку
исследуемых сталей.
В последнее время разработан ряд способов испытания образ-
цов на ударный изгиб с определением энергии, необходимой для
зарождения и распространения трещин. Усилия многих ученых
направлены на создание методик, обеспечивающих получение
достоверных и воспроизводимых результатов таких испытаний.
Сопротивление распространению трещины может служить объек-
тивной характеристикой склонности материала к хрупкому раз-
рушению. Эти способы испытаний, вероятно, найдут широкое при-
менение.
Большое количество хрупких разрушений сварных морских
судов типа «Либерти», наблюдавшихся в 1942—1945 гг. в США,
а также ряд аварий больших резервуаров для хранения жидкостей
и газов и других конструкций в значительной степени способ-
ствовали изысканию методов испытаний, позволяющих судите
15?
Рис. 4-11. Адмиралтейский образец для испытаний на растяжение и изгиб (а)
и образец Кинцела для испытания иа изгиб (б)
о надежности стали в условиях работы конструкции. В настоящее
время имеется более 30 типов образцов разнообразной формы
с надрезами различных видов, которые при испытаниях подвер-
гаются растяжению, изгибу и другим видам нагрузки при различ-
ных температурах.
На рис. 4-11, а изображен образец для испытания на растяже-
ние и изгиб, представляющий собой пластину размером 126Х
X 75x5 мм с надрезом на одной стороне. На рис. 4-11, б изображен
другой тип образца для испытания на изгиб. При испытании ука-
занных образцов исследуют различные критерии определения пе-
рехода металла в хрупкое состояние. Такие критерии, как угол
изгиба при максимальной нагрузке, сужение площади попереч-
ного сечения и удлинение, характеризуют пластичность стали
перед тем, как начнет распространяться трещина, т. е. характе-
ризуют наступление первой стадии разрушения. Такие критерии,
как внешний вид излома и работа после максимальной нагрузки,
отражают поведение стали при распространении в ней трещины.
Если эти две группы критериев отражают различные свойства
стали, то можно ожидать, что температура перехода стали в хруп-
кое состояние, установленная на основании этих критериев для
одной и той же стали, будет различна. Проведенные исследова-
ния показали, что могут быть две температуры перехода металла
в хрупкое состояние. Первую из них определяют на основании
критерия внешнего вида излома. Этот критерий устанавливает
температуру, ниже которой наблюдается хрупкая по внешнему
виду поверхность излома стали. Вторую температуру определяют
на основании критерия пластичности (угол изгиба, относительное
удлинение и т. п.). Этот критерий устанавливает температуру,
при которой сталь снижает свою пластичность ниже определенной
условной величины.
Температура перехода стали в хрупкое состояние, определяе-
мая на основе критерия пластичности, меняется в зависимости от
условий сварки, остроты и глубины надреза. При изменении ука-
153
Рис. 4-12. Образец для определения способности стали сопротивляться распро-
странению хрупкой трещины (Т. С. Робертсон):
а — общий вид образца;
б — кривая изменения напряжений в зависимости от температуры металла
занных факторов в неблагоприятную сторону температура пере-
хода стали в хрупкое состояние повышается и приближается
к температуре, установленной на основании критерия внешнего
вида поверхности излома. С учетом этого можно считать, что кри-
терий внешнего вида отражает поведение стали при самых небла-
гоприятных условиях, т. е. при наличии бесконечно острого над-
реза.
Для изучения способности различных сталей сопротивляться
распространению хрупкой трещины предложен образец, изобра-
женный на рис. 4-12, а. На одном конце образца высверлено от-
верстие, в котором сделан надрез. Образец устанавливают в раз-
рывной машине. Конец образца с отверстием охлаждают жидким
азотом, противоположный конец образца нагревают. После уста-
новления стабильного перепада температуры образец нагружают
до постоянной величины поперечных напряжений. Затем наносят
удар крупнокалиберной пулей по охлажденному концу. Удар
вызывает образование хрупкой трещины, которая под действием
поперечных напряжений распространяется в образце и на каком-то
расстоянии останавливается. Фиксируется температура участка
образца, где остановилась трещина.
Испытания ряда образцов при разных нагрузках позволяют
построить кривые (рис. 4-12, б), показывающие, как в зависимости
от температуры стали изменяются критические поперечные напря-
жения, т. е. напряжения, при которых идет распространение
хрупкой трещины. Область, лежащая выше и левее кривой,
характеризует условия (напряжения и температуру), при которых
однажды возникшая хрупкая трещина будет распространяться и
пересечет весь образец. Ниже и правее кривой находится область,
154
характеризующая условия, при которых однажды возникшая
трещина остановится и не будет распространяться в металле.
Каждая марка стали в зависимости от ее химического состава,
структуры и толщины имеет свою, характерную для нее кривую.
Для подобных кривых типично наличие почти горизонтального
участка, расположенного на уровне сравнительно невысоких по-
перечных напряжений, и почти вертикального участка.
Процесс хрупкого разрушения имеет две стадии. По вопросу
о том, какую стадию разрушения нельзя допускать, существуют
две точки зрения. Согласно первой из них, в любой металлической
конструкции, а тем более в сварной конструкции, неизбежно на-
личие различного рода дефектов (подрезов, трещин, шлаковых
включений и т. и.). Эти дефекты являются резкими концентра-
торами напряжений, от которых могут брать начало хрупкие
трещины. Для того чтобы образовались первые трещины, всегда
найдутся случайные причины, как-то: удары, резкое изменение
температуры, корродирующая среда и т. п. Поэтому важно не
образование первых хрупких трещин, а предотвращение их рас-
пространения. Этого можно достичь, если металл будет обладать
достаточным сопротивлением распространению хрупкой трещины.
Следовательно, необходимо выбирать сталь исходя из ее способ-
ности гасить образовавшуюся хрупкую трещину.
Вторая точка зрения заключается в том, что сталь должна
предупреждать зарождение хрупкой трещины. Так как хрупкая
трещина возникает всегда у резких концентраторов напряжений,
то можно сказать, что сталь должна быть малочувствительной
к острым надрезам. Сторонники второй точки зрения обычно ука-
зывают, что для зарождения хрупкой трещины требуется больше
энергии, чем для распространения уже начавшейся трещины.
Рассмотренные образцы и методы определения температуры
перехода стали в хрупкое состояние можно разделить на три
группы:
1.	Определение порога хладноломкости с помощью испытания
на поперечный изгиб на маятниковом копре образцов с различными
типами надреза. Эти испытания дают результаты, которые могут
служить только для сравнения между собой различных сталей,
сварочных материалов, способов и режимов сварки.
2.	Определение температуры перехода в хрупкое состояние
с помощью специальных образцов. В процессе испытания этих
образцов были определены две температуры в зависимости от
принятого критерия: одна температура — начала возникновения
хрупкой трещины (первая стадия разрушения), а другая — рас-
пространения хрупкой трещины (вторая стадия разрушения).
3.	Определение сопротивления стали распространению хруп-
кой трещины (вторая стадия разрушения).
Испытания второй и третьей групп имеют целью охарактери-
зовать поведение металла в реальной конструкции. Поэтому
результаты испытания всех образцов всегда сравнивают с данными
155
наблюдаемых случаев хрупкого разрушения конструкций. Эти
сравнения показывают достаточное совпадение критической тем-
пературы перехода стали в хрупкое состояние, определенной на
том или ином типе образца, с температурой, при которой про-
изошла авария.
Образцы для испытаний второй и третьей групп имеют значи-
тельные размеры, и использование их представляет определенные
трудности. Поэтому были затрачены значительные усилия, чтобы
установить корреляцию между испытаниями больших специаль-
ных образцов и испытаниями стандартных малых образцов на
ударный изгиб. Полной корреляции установить пока не удалось,
однако для отдельных групп сталей такая корреляция намечается.
Так, установлено, что в судах типа «Либерти» хрупкие разрушения
наблюдались при температурах, при которых малые образцы
с остроугольным надрезом, вырезанные из листов разрушенных
судов, имели ударную вязкость не более 1,2 кгс/см2.
Образцы для испытаний второй и третьей групп можно приме-
нять в исследовательских работах. Для практических же задач
контроля качества металла следует пользоваться стандартными
образцами с полукруглым или острым надрезом, испытываемыми
на ударный изгиб.
С целью повышения стойкости основного металла против
перехода в хрупкое состояние следует применять для ответствен-
ных сварных конструкций стали с пониженным содержанием угле-
рода. Значительное влияние на стойкость против перехода в хруп-
кое состояние оказывают тип электродов, состав флюса, режим
сварки и другие технологические факторы. При разработке техно-
логии сварки ответственных конструкций все это следует учи-
тывать.
Комплексные методы испытания металла околошовной зоны.
Кроме описанных выше и в § 6-3 методов испытаний, которые ста-
вят перед собой задачу выяснения только одного из показателей,
входящих в общее понятие свариваемости, при проведении ла-
бораторных исследований находят также применение комплекс-
ные методы оценки свойств околошовной зоны. Эти методы позво-
ляют выбрать режим сварки, обеспечивающий благоприятные
свойства металла в околошовной зоне, и установить зависимость
между этими свойствами и режимом сварки.
Наиболее широко из этой группы испытаний при исследовании
и поисковых работах применяют валиковую пробу. Она служит
для определения структурного состояния и механических свойств
металла околошовной зоны. Бруски-заготовки испытываемого
металла толщиной, равной толщине стали, шириной 13—18 мм
и длиной 200—250 мм собирают в специальном зажимном приспо-
соблении в единую составную пластину (рис. 4-13). Образцы со-
бирают так, чтобы сверху располагалась обработанная поверх-
ность металла (ширина бруска равна толщине металла). Число
брусков в составной пластине предусмотрено программой испы-
156
Рис. 4-13. Составной образец для валиковой пробы, s — толщина металла
таний. Число составных пластин определяется количеством режи-
мов сварки. Обычно сваривают пять пластин при следующих зна-
чениях погонной энергии (кал/см): 1) 1000—1500; 2) 3000—4000;
3) 6000—7000; 4) 9000—10 000; 5) 13 000—14 000.
На собранную пластину вдоль ее продольной оси наплавляют
валик. Затем пластину освобождают от закрепления и она остывает
на воздухе до температуры окружающей среды. Затем усиление
валика сострагивают заподлицо с основным металлом и бруски
отделяют друг от друга. Из брусков изготовляют образцы (см.
рис. 4-9), в которых вершина надреза расположена в околошовной
зоне на заданном расстоянии от границы сплавления.
На основании испытания этих образцов на ударный и стати-
ческий изгиб при различных температурах, а также металло-
графического исследования определяют следующие характери-
стики основного металла.
1.	Зависимость между критической температурой перехода
в хрупкое состояние металла околошовной зоны и режимом сварки.
За критическую температуру обычно принимают ту, при которой
ударная вязкость хотя бы одного из испытываемых образцов была
менее 2 кгс/см2.
2.	Зависимость между ударной вязкостью металла околошов-
ной зоны и режимом сварки, которая позволяет судить о струк-
турных изменениях, происходящих в околошовной зоне (перегрев,
закалка) при различных режимах сварки.
3.	Зависимость между твердостью металла в околошовной
зоне и режимом сварки и зависимость между твердостью металла
в околошовной зоне и мгновенной скоростью остывания при тем-
пературе наименьшей устойчивости аустенита. Можно также
судить о структурных изменениях, происходящих в околошовной
зоне.
Проба ИМЕТ позволяет определять структурное состояние и
механические свойства металла околошовной зоны на протяжении
всего термического цикла сварки. Испытания проводят на двух
образцах для металлографических исследований и образце для
определения механических свойств. Образцы укрепляют в зажи-
мах специальной автоматической машины, где в соответствии
157
с заданным термическим циклом они нагреваются проходящим то-
ком, а затем охлаждаются. Нагрев образца регулируется изме-
нением величины тока, а охлаждение его — обрызгиванием водой
или обдувом газом. Контроль за соответствием между заданным и
действительным термическими циклами осуществляется путем
записи на осциллографе значения э. д. с. термопары, приварен-
ной к центральной части образца.
В любой заданной точке термического цикла можно автомати-
чески прекратить нагрев образца и мгновенно его освободить.
После этого образец или попадет в воду, или может быть быстро
разорван с регистрацией диаграммы изменения усилия и удлине-
ния его во времени. При быстром охлаждении образца в воде в нем
фиксируется размер зерна, соответствующий данной температуре.
Механические испытания позволяют установить значения предела
прочности, текучести и относительного удлинения металла об-
разца в условиях быстрого растяжения при заданной температуре.
Проба ИМЕТ позволяет изучить кинетику изменения фазового
состава, структуры и механических свойств металла в процессе
нагрева и охлаждения по заданному термическому циклу сварки.
Испытания дают возможность установить интервал, в котором
происходит резкое падение пластичности, судить о характере пре-
вращения аустенита в металле околошовной зоны и об опасности
хрупкого разрушения в ней в условиях охлаждения при данном
термическом цикле.
По результатам испытания можно определить режимы сварки,
обеспечивающие получение в зоне термического влияния структур,
стойких против перехода в хрупкое состояние и против образо-
вания трещин. Методика в основном применяется при разработке
новых марок сталей и сплавов.
Определение служебных характеристик металла шва и сварного
соединения. Для обеспечения нормальной работы конструкции
металл шва и сварного соединения должен обладать необходимой
и достаточной прочностью и пластичностью, коррозионной стой-
костью и другими свойствами. При современном уровне развития
сварочной техники это условие удовлетворяется в подавляющем
большинстве случаев.
Для определения прочности и пластичности металла шва и
сварного соединения применяют комплекс испытаний, в том числе
при статических и ударных нагрузках. Испытания механических
свойств металла шва и сварного соединения при статических и
ударных нагрузках (ГОСТ 6996—66) проводят при текущем
контроле качества продукции и при исследовательских работах.
Аналогичные испытания механических свойств сварных соедине-
ний проводят и в большинстве зарубежных стран.
Испытания, регламентируемые ГОСТ 6996—66, предусматри-
вают отбор образцов из реальных конструкций или из специаль-
ных образцов, сваренных в условиях, полностью повторяющих
условия сварки реальной конструкции. Испытания обычно про-
158
водят при комнатной температуре. Однако по требованиям тех-
нических условий на данный вид продукции их можно проводить
как при пониженных, так и при повышенных температурах.
Выбор видов испытаний из числа предусмотренных стандартом,
а также дополнительных, не вошедших в стандарт испы-
таний, устанавливается стандартами или техническими усло-
виями на данный вид продукции. ГОСТ 6996—66 предусмат-
ривает:
а)	испытание металла шва на растяжение. Целью его яв-
ляется определение физического от или условного о012 предела
текучести металла, его временного сопротивления при растяже-
нии ов, относительного удлинения 65 и сужения ф. Для исследова-
ния отдельных участков металла шва и околошовной зоны при-
меняют не предусмотренные стандартом малые образцы с диаме-
тром рабочей части 0,8; 1,0 или 1,2 мм. Испытания подобных об-
разцов ца растяжение проводят на специальных машинах с записью
кривой усилие—деформация. Результаты испытаний малых об-
разцов сравнивают с результатами испытаний аналогичных об-
разцов, вырезанных из основного металла. Параллельно испыты-
вают не менее двух образцов;
б)	испытание сварного соединения на растяжение. Целью его
является определение прочности сварного соединения в целом или
прочности металла шва в сварном соединении. Полученные при
испытании результаты сравнивают с результатами испытания
основного металла;
в)	испытание металла шва и металла отдельных участков
околошовной зоны на ударный изгиб (на надрезанных образцах).
Целью его является определение ударной вязкости испытуемого
металла. Результаты, полученные при испытании, сравнивают
со значением того же показателя для основного металла или с ве-
личиной, регламентированной стандартами или техническими
условиями на данный вид продукции. Испытания, как правило,
проводят при одной температуре и перед ними не ставится задача
определения стойкости металла против перехода в хрупкое со-
стояние. Они служат для текущего контроля правильности вы-
бора технологии сварки и материалов. Для испытания применяют
образец с полукруглым профилем надреза (надрез по Менаже)
или с острым клиновидным надрезом (надрез по Изоду). Испыта-
ния образцов с надрезами различных типов дают несравнимые
результаты.
Кроме приведенных видов испытаний ГОСТ 6996—66 преду-
сматривает испытания на изгиб при продольном и поперечном
расположении шва. Эти испытания не дают четких данных о пла-
стических или прочностных свойствах сварного соединения и по
существу относятся к разряду технологических проб.
Для определения изменения свойств в отдельных участках
сварного соединения и степени неоднородности металла шва,
околошовной зоны и основного металла замеряют твердость ме-
159
Талла на этих участках. Твердость сварного соединения опреде-
ляют на макрошлифах поперечного сечения шва на приборах
типа Виккерса или Роквела.
§ 4-4. Напряжения и деформации при сварке
Напряжения и деформации при сварке подробно
рассмотрены в специальной литературе (труды Г. А. Николаева,
Н. О. Окерблома, В. А. Винокурова и др.). Ниже приведены
лишь общие положения и некоторые данные по этим вопросам.
В результате местного (неравномерного) нагрева металла,
обусловленного воздействием концентрированного источника теп-
лоты, в сварной конструкции возникают временные и остаточные
сварочные напряжения. Временные сварочные напряжения на-
блюдаются только в определенный момент сварки в процессе
изменения температуры. Напряжения, существующие после окон-
чания сварки конструкции и полного ее остывания, называют
остаточными сварочными напряжениями или сварочными напря-
жениями. Они возникают в результате затруднений расширения
и сжатия металла при его нагреве и остывании.
Затрудненность расширения и сжатия металла обусловлена
тем, что нагретый участок со всех сторон окружен холодным
металлом, размеры которого не претерпевают никаких изменений.
Реактивные остаточные напряжения возникают в связи с допол-
нительным закреплением свариваемых деталей (в приспособлении,
при жестком закреплении и т. и.), также препятствующим нор-
мальному протеканию процессов расширения и сжатия. Реактив-
ные напряжения характеризуются неуравновешенной эпюрой
напряжений.
Структурные напряжения возникают в конструкции вслед-
ствие структурных превращений участков металла околошовной
зоны, нагретых в процессе сварки до температуры выше критиче-
ских точек. Значительные по величине структурные напряжения
возникают при сварке закаливающихся сталей, при охлаждении
которых после сварки в околошовной зоне образуются мартенсит-
ные, имеющие наибольший удельный объем структуры.
Различают сварочные напряжения трех родов. В сварных
конструкциях из низкоуглеродистых и низколегированных ста-
лей в основном развиваются сварочные напряжения первого рода.
Они действуют и уравновешиваются в значительных, соизмеримых
с размерами конструкции или отдельных ее деталей, объемах.
При определенных условиях возможно возникновение сварочных
напряжений второго и третьего родов — действующих и уравно-
вешивающихся в пределах отдельных зерен металла.
В зависимости от пространственного расположения и взаимо-
действия различают сварочные напряжения: линейные или одно-
осные, действующие только по одной оси в одном направлении
(рис. 4-14, а), плоскостные или двухосные, действующие в двух
160
направлениях (рис. 4-14, б), и объемные или трехосные, действу-
ющие в трех направлениях (рис. 4-14, в). По направлению дей-
ствия различают продольные и расположенные поперек оси шва
линейные сварочные напряжения (рис. 4-15).
Практика эксплуатации сварных конструкций показывает, что
в большинстве случаев сварочные напряжения не снижают несу-
щей способности конструкций. По вопросу о влиянии, оказы-
ваемом сварочными напряжениями на работоспособность сварной
конструкции, нет единого мнения. Большинство исследователей
приходит к выводу о том, что линейные сварочные напряжения
не снижают прочности сварных конструкций ни при одном из
видов нагрузок (статической, вибрационной, ударной), если ме-
талл, из которого изготовлена конструкция, в процессе ее экс-
плуатации находится в пластическом состоянии. Однако, если
металл находится в хрупком состоянии, т. е. не способен к пла-
стическому деформированию, наличие даже линейных сварочных
напряжений может привести к снижению несущей способности
конструкции.
Даже такой пластичный металл, как низкоуглеродистая сталь,
при определенных условиях (низкая температура, резкая кон-
центрация напряжений, наличие дефектов) может находиться
в хрупком состоянии (см. § 38). Недостаточно ясно также влияние
на прочность конструкции сварочных напряжений с плоскостным
и объемным характером распределения. Большинство исследо-
вателей считают, что и при этом не происходит снижения проч-
ности конструкции при статической (в чистом виде) нагрузке
и пластичном состоянии металла.
Технологию сварки и сборки конструкции следует разрабаты-
вать с учетом обеспечения минимальной величины сварочных
напряжений, и там, где это диктуется условиями работы кон-
струкции, предусматривать снятие этих напряжений. При этом
следует учитывать, что снятие сварочных напряжений — весьма
трудоемкая и сложная операция, и к ней следует прибегать
Рис. 4-14. Различные виды напряженного состоя-
ния; напряжения:
а — линейные; б — плоскостные,
в — объемные сварочные
И Заказ № 782	161
Рис. 4-15.
Продольные (/) и попе-
речные (2) напряжения
в сварном соединении
Рис. 4-16. Угловая деформация при
сварке стыкового соедине-
ния
только при действительной, технически обоснованной необходи-
мости. Если значения сварочных напряжений достигнут предела
текучести металла, они вызовут его пластическую деформацию,
а следовательно, и изменения размеров и формы свариваемой
конструкции, т. е. ее деформацию (коробление).
Возникающие при сварке деформации разделяют на времен-
ные, существующие только во время сварки конструкции, и оста-
точные, остающиеся после завершения сварки и остывания кон-
струкции. Важное значение для практики имеют остаточные сва-
рочные деформации. В зависимости от характера, формы и раз-
меров свариваемых деталей различают деформацию в плоскости
и деформацию из плоскости соединяемых элементов. Деформация
в плоскости проявляется в изменении (уменьшении) размеров
конструкции, с чем необходимо считаться при заготовке деталей
и сборке под сварку, предусматривая припуск на изменение раз-
меров.
Деформация из плоскости (угловая деформация) проявляется
в образовании выпучин («хлопунов»), местном изгибе листов
(рис. 4-16), в так называемом грибовидном изгибе пояса при сварке
элементов тавровых и двутавровых сечений (рис. 4-17), а также
в других изменениях формы изделий. Величина и характер оста-
точных деформаций в значительной степени определяются тол-
щиной и свойствами основного металла, режимом сварки, после-
довательностью наложения швов, конструктивными формами сва-
риваемых деталей и формой шва. При увеличении толщины свари-
ваемого металла деформации снижаются, что связано с большей
жесткостью конструкции.
Существенное влияние на величину деформации оказывает
значение коэффициента линейного расширения металла. При по-
вышении коэффициента линейного расширения величина остаточ-
ных деформаций увеличивается, например при сварке конструк-
ций из высоколегированных нержавеющих сталей, что значи-
тельно затрудняет сварку металлоконструкций и изделий из этого
металла. Опыт эксплуатации показал, что в стальных конструк-
циях, в которых не возникают структурные напряжения, в боль-
шинстве случаев величина и характер оста-
точных деформаций с течением времени по-	""
чти не изменяется. В конструкциях, изго-
товленных из сталей, при сварке которых
возникают структурные напряжения, раз-
Рис. 4-17. Угловая деформация (грибовидность) при
сварке таврового соединения
162
меры и формы элемента могут изменяться с течением вре-
мени .
Изменение размеров и формы сварной конструкции в некото-
рых случаях снижает ее работоспособность и портит ее внешний
вид. Если остаточные деформации достигают заметной величины
они могут привести к неисправимому браку. При разработке,
технологии сборки и сварки конструкции следует учитывать необ-
ходимость снижения остаточных деформаций до величины, при
которой они не отражаются на работоспособности и внешнем
виде конструкции и не затрудняют сборку отдельных элементов.
Если величина остаточных деформаций выходит за допускаемые
пределы, следует проводить правку конструкции. Правка кон-
струкции является весьма трудоемкой операцией, требует высокой
квалификации рабочих, и ее так же, как и снятие сварочных на-
пряжений, следует проводить только в случае действительной
необходимости.
§ 4-5. Предотвращение и снижение
сварочных напряжений и деформаций
Величина и характер сварочных напряжений и де-
формаций определяются рядом факторов. Рассмотрим влияние
некоторых из них.
Вид и способ сварки. Значительное влияние на величину сва-
рочных деформаций оказывает степень концентрации теплоты.
Высокая концентрация теплоты способствует сужению зоны,
подвергающейся пластическим деформациям, и уменьшению де-
формаций конструкций. Это подтверждается опытом применения
автоматической сварки под флюсом.
При практически одной и той же погонной энергии сварка
под флюсом благодаря большей скорости перемещения дуги (изо-
термы вытянуты и сдвинуты в область, уже пройденную дугой)
вызывает меньшие остаточные деформации, чем ручная дуговая
сварка. Снизить величины остаточных деформаций можно также,
заменив ручную дуговую сварку покрытыми электродами авто-
матической или полуавтоматической сваркой в углекислом газе,
аргоне, порошковой проволокой или активированной проволокой
без дополнительной защиты. Применение полуавтоматической
сварки в углекислом газе позволило упростить технологию изго-
товления ряда тонколистовых конструкций (кузова тепловозов,
электровозов и пр.) и сократить расходы на последующую правку.
Влияние конфигурации шва. От конфигурации шва в известной
мере зависят величина и характер остаточных деформаций.
При прочих равных условиях Х-образная подготовка кромок
благодаря симметричному расположению шва относительно ней-
тральной оси вызывает меньшую угловую деформацию, чем V-
образная. С целью уменьшения деформаций в некоторых случаях
целесообразно применять двустороннюю сварку. При сварке под
11*	163
Рис. 4-18. Зависимость между тол-
щиной металла, формой
и сечением разделки
флюсом меньшие деформации
происходят в соединениях
без скоса кромок. В случае
электрошлакового процесса,
где сама техника выполнения
сварки предопределяет сим-
метричное расположение шва
относительно нейтральной
оси, угловые деформации
весьма невелики. Эффектив-
ной мерой уменьшения де-
формаций является умень-
шение сечения шва за счет
применения сварочных мате-
риалов, обеспечивающих бо-
лее высокую прочность ме-
талла шва. Как показали исследования, при сварке соединения
с угловыми швами сечение может быть уменьшено до 40%.
Режим сварки. Величина и характер сварочных напряжений
и остаточных деформаций находятся в прямой зависимости от
погонной энергии сварки, которая определяется режимом сварки
и зависит от сечения шва или слоя. Увеличение сечения шва или
слоя приводит к заметному росту величины остаточной деформа-
ции. Для обеспечения минимальной деформации сварной кон-
струкции следует назначать наименьшие (допустимые из условий
прочности конструкции) сечения швов и не допускать их увели-
чения в процессе изготовления конструкции. В отношении умень-
шения сечения шва наиболее рациональной является двусторон-
няя рюмкообразная разделка (рис. 4-18). На зависимости между
величиной остаточной деформации и режимом сварки (погонной
энергией) основан расчетный метод определения остаточных де-
формаций.
Порядок сварки и закрепление свариваемых деталей. На вели-
чину возникающих при сварке остаточных деформаций и напря-
жений существенно влияет порядок наложения шва по его длине
и сечению. Наибольшие остаточные деформации образуются при
сварке на проход, т. е. при наложении шва от начала до конца
без длительных перерывов. При ручной сварке для уменьшения
величины деформации швы накладывают от середины к концам.
Этот метод эффективен при выполнении шва двумя сварщиками.
При правильном выборе длины ступени обратноступенчатая
сварка (см. гл. 5) резко уменьшает величину напряжений и дефор-
маций. При этом способе шов следует разбивать на участки таким
образом, чтобы к началу сварки последующего участка темпера-
164
Рис. 4-19.
Укладка свариваемых деталей
для предотвращения угловой
деформации при стыковом сое-
динении

Рис. 4-20. Обратный изгиб свариваемых де-
талей для предотвращения угло-
вой деформации при стыковом
соединении
тура металла составляла 200—300° С. При однослойной сварке
это условие обеспечивается, если длина ступени равна участку,
образованному за счет расплавления одного электрода (при се-
чении шва, равном 1,2 сечения стержня электрода). Уменьшение
деформаций и напряжений при обратноступенчатой сварке свя-
зано с тем, что ее выполняют по увеличенному зазору. При охла-
ждении одновременно с уменьшением ширины шва уменьшается
и предварительно расширенный зазор, что способствует умень-
шению реактивных напряжений и деформаций.
Для уменьшения величины остаточных напряжений и деформа-
ций при сварке многопроходных швов применяют каскадный
метод сварки (см. гл. 5). Существенное влияние на величину на-
пряжений и остаточных деформаций оказывает направление
сварки отдельных швов. Эффективной мерой снижения остаточных
деформаций является закрепление свариваемых деталей в спе-
циальных приспособлениях-кондукторах.
Предварительный изгиб свариваемых деталей. В производ-
ственных условиях для борьбы с деформациями часто применяют
предварительный обратный изгиб свариваемых деталей. Этот
метод используют для борьбы с угловыми деформациями при
сварке стыковых и нахлесточных соединений. При сварке листов
небольшой ширины с V-образной разделкой кромок их распо-
лагают с предварительным выгибом в сторону, обратную ожидае-
мой деформации (рис. 4-19). Листы большой ширины можно укла-
дывать с предварительным изгибом свариваемых кромок
(рис. 4-20). Монтажные стыки с закрепленными [листами реко-
мендуется сваривать с предва-
рительноотогнутыми кромками,
что достигается при помощи
Рис. 4-21. Обратный изгиб сваривав- Рис. 4-22. Обратный изгиб пояса для
мых кромок в местах мои-	предотвращения грибовид-
тажных стыков	ной деформации
165
Рис. 4-23. Обратный изгиб балки
домкратов или специальных
приспособлений (рис. 4-21).
Для предотвращения деформа-
ций из плоскости тавровых или
двутавровых сечений произво-
дят упругую или пластическую
деформацию пояса (рис. 4-22).
С целью устранения продоль-
ных деформаций в плоскости при сварке тавровых балок приме-
няют приспособления, которые изгибают балку в сторону, обрат-
ную ожидаемой деформации (рис. 4-23).
Предварительный обратный изгиб можно создать с помощью
наклепа кромок и стенки балок либо нагревом до температуры
700—750° С (рис. 4-24). Эффективной мерой предотвращения
выпучивания стенки в двутавровой балке, вызываемой сваркой
поясных швов, является сборка с предварительным натяжением
стенки. Для натяжения стенки используют сборочные стенды
с домкратным устройством. Повысить жесткость тонких листов
в сварных конструкциях с целью уменьшения деформаций можно
путем гофрирования. При помощи прессов на тонких листах пред-
варительно выдавливают узоры жесткости или гофры. Мерой
уменьшения сварочных напряжений может быть предварительное
растяжение или сжатие элемента с помощью продольно сжима-
ющей силы.
Резкое охлаждение свариваемых деталей. При резком охлажде-
нии сварного соединения нагреваемый при сварке участок, в ко-
тором возникают пластические деформации, сужается, что при-
водит к уменьшению остаточных деформаций и напряжений.
На рис. 4-25 схематически показаны характер распределения тем-
пературы и размеры участков пластических деформаций при искус-
ственном охлаждении и без него. При охлаждении участок пла-
стической деформации значительно короче, чем при сварке в обыч-
Рис. 4-25. Характер распределения
температуры при сварке
стыкового соединения:
ных условиях.
Рис. 4-24. Место нагрева (или наклепа)
кромки вертикальной стен-
ки тавровой балки для со-
здания обратного изгиба
I — область нагрева или на*
клепа
а — с искусственным охлаж-
дением,
б — без охлаждения
166
Однако искусственное охлаждение Применимо ТоЛьКО Прй
сварке низкоуглеродистых сталей. Для уменьшения остаточных
деформаций и напряжений при сварке сталей с повышенным содер-
жанием углерода и легированных закаливающихся сталей метод
искусственного охлаждения неприменим, так как он может приве-
сти к образованию малопластичных закалочных структур. Некото-
рое влияние на величину сварочных деформаций оказывает также
и начальная температура изделия. При сварке в условиях естест-
венных низких температур деформации снижаются весьма мало.
Влияние подогрева свариваемых деталей. При предварительном
или сопутствующем подогреве уменьшается перепад температур
между участками сварного соединения, благодаря чему несколько
снижаются напряжения. Установлено, что при подогреве до тем-
пературы 200° С остаточные напряжения по сравнению со сваркой
без подогрева снижаются на 30%. При более высокой температуре
подогрева достигаются еще более благоприятные результаты.
Значительный эффект дает и сопутствующий подогрев. При
сварке можно проводить как общий, так и местный сопут-
ствующий подогрев. Общий подогрев назначают при сварке
деталей небольших размеров или непластичных материалов, на-
пример чугуна. При местном подогреве нагревают участок шири-
ной не менее 40—50 мм по обе стороны от шва. Нагрев только
свариваемых кромок не дает заметного эффекта. При сварке
с предварительным или сопутствующим подогревом в большин-
стве случаев не требуется последующей термообработки (отпуска)
конструкции. Подогрев можно осуществлять индукционным спо-
собом, газовым пламенем и электрическими нагревателями.
Температура предварительного подогрева зависит от химиче-
ского состава и толщины металла, а также жесткости конструкции.
С увеличением содержания углерода и легирующих примесей,
толщины металла и жесткости конструкции необходим подогрев
до более высоких температур.
При изготовлении особо ответственных конструкций из низко-
углеродистых сталей при толщине металла выше 40 мм иногда
применяют предварительный подогрев до температуры 100-—
120° С. При сварке среднеуглеродистых и низколегированных
конструкционных сталей целесообразно применять предваритель-
ный подогрев до температуры 150—200° С при толщине металла
более 30 мм. Вопрос о температуре подогрева при сварке (и на-
плавке) средне- и высоколегированных и высокоуглеродистых
сталей рассмотрен в гл. 10 и 13.
§ 4-6. Методы снижения сварочных напряжений
и устранения остаточных деформаций
Если меры предотвращения образования сварочных
напряжений и деформаций оказываются недостаточными, появ-
ляется необходимость в устранении (снятии) возникших напряже-
ний и деформаций.
167
СнятиеМварочных напряжений путем термообработки. Для пол-
ного снятия напряжений сварные соединения подвергают термо-
обработке. С этой целью при сварке углеродистых конструкцион-
ных сталей проводят общий высокий отпуск конструкции (нагрев
до 630—650° С с выдержкой при этой температуре в течение 2—
3 мин на 1 мм толщины металла). Охлаждение должно быть мед-
ленным для того, чтобы при его прохождении снова не возникли
напряжения. Режим охлаждения в основном зависит от химиче-
ского состава стали. Чем больше содержание элементов, способ-
ствующих закалке, тем меньше должна быть скорость охлажде-
ния. Во многих случаях деталь охлаждают до температуры 300° С
с печью, а затем на спокойном воздухе.
При высоком отпуске сварочные напряжения снимаются вслед-
ствие того, что при температуре 600° С предел текучести металла
близок к нулю и материал практически не оказывает сопротивле-
ния пластической деформации, в процессе которой происходит
релаксация сварочных напряжений. При температуре отпуска
600—620° С наблюдается некоторое охрупчивание металла, порог
хладноломкости перемещается в сторону положительных тем-
ператур. Особенно это проявляется на сталях, содержащих ва-
надий. Снижение температуры отпуска до 550—560° С устраняет
указанный недостаток.
В ряде случаев можно ограничиться высоким отпуском отдель-
ных элементов конструкции. Так, при изготовлении сферических
резервуаров для хранения различных продуктов ограничиваются
только отпуском лепестков с приваренными люками. Отпуск
отдельных узлов применяют также при изготовлении сварных
рам тележек вагонов и локомотивов. Такие операции значительно
проще, чем отпуск всей конструкции, и, как показал опыт, обес-
печивают требуемую эксплуатационную надежность.
Высокий отпуск является дорогой операцией, удлиняющей
технологический процесс изготовления конструкции, и его сле-
дует применять в действительно необходимых случаях. Если
механическая обработка проводится на детали, не прошедшей
отпуска, то в связи с перераспределением напряжений может
произойти изменение ее размеров. В большинстве случаев при
сварке изделий из стали с повышенным содержанием углерода
и легирующих элементов можно ограничиться только предвари-
тельным местным или общим подогревом и не проводить последу-
ющей термообработки (см. гл. 10).
Термопластический метод снятия напряжений. Метод основан
на создании пластических деформаций в зоне шва, что осуще-
ствляется путем нагрева смежных со швом участков основного
металла.
При этом достигается тот же эффект, что и при растяже-
нии внешними силами. Снятие напряжений достигается только
при тщательной регулировке источника нагрева и определенной
скорости перемещения его вдоль шва.
168
Рис. 4-26. Макроструктура металла после оплавления
Снятие сварочных напряжений с помощью аргоно-дуговой
обработки. Одной из мер снятия сварочных напряжений является
расплавление участка перехода от шва к основному металлу
неплавящимся электродом в аргоне (рис. 4-26). При этом нару-
шается равновесие внутренних сил напряженного поля вследствие
перехода части металла в жидкое и пластическое состояние.
Естественно, что при кристаллизации расплавленного металла
будут вновь возникать напряжения, однако они сравнительно
малы, так как количество этого металла во много раз меньше, чем
металла шва. Расплавление небольшого количества основного
металла и металла шва приводит к уменьшению напряжений на
60—70%. Получаемый при этом плавный переход от шва к основ-
ному металлу способствует значительному повышению прочности
сварных соединений при переменных нагрузках (рис. 4-27).
Снятие сварочных напряжений путем проковки металла шва
и околошовной зоны. Сварочные напряжения могут быть сняты
почти полностью, если в шве и околошовной зоне создать допол-
нительные пластические деформации. Это достигается проковкой
швов. Проковку производят в процессе остывания металла при
температурах 450° С и выше либо
от 150° С и ниже. В интервале
температур 400—200° С в связи
с пониженной пластичностью ме-
талла при ее проковке возможно
образование надрывов. Специаль-
10Г2Б
Рис. 4-27. Кривые выносливости сварных
образцов из стали
с накладками:
; — швы оплавлены;
£ ~ швы не обработаны

ныи нагрев сварного соединения для выполнения проковки,
как правило, не требуется. Удары наносят вручную молотком
массой 0,6—1,2 кг с закругленным бойком или пневматическим
молотком с небольшим усилием. При многослойной сварке про-
ковывают каждый слой, за исключением первого, в котором от
удара могут возникнуть трещины. Этот прием применяют для
снятия напряжений при заварке трещин и замыкающих швов
в жестких конструкциях. Проковка сварного соединения так-
же способствует повышению усталостной прочности конструк-
ции.
Снятие сварочных напряжений путем нагружения конструк-
ции до напряжений, равных пределу текучести металла. Эффек-
тивной мерой снятия сварочных напряжений в конструкциях,
изготовляемых из незакаливающихся сталей, является воздей-
ствие на сварную конструкцию внешних сил, от которых в ней
возникают напряжения, равные пределу текучести металла.
Нагружение конструкции должно быть статическим и проводиться
в условиях, когда металл находится в пластическом состоянии
(при положительной температуре). Такой метод снятия напряже-
ний особо следует рекомендовать для конструкций, работающих
в тяжелых условиях эксплуатации (низкие температуры, большие
скорости приложения нагрузок) перед вводом их в работу.
Если в первый период эксплуатации конструкция работает
в условиях, когда металл находится в пластическом состоянии,
происходит смягчение остроты концентраторов напряжений.
При этом сварочные напряжения не повлияют на статическую
прочность конструкции при тяжелых условиях ее эксплуатации.
При снятии напряжений этим способом не все элементы конструк-
ции могут быть нагружены до предела текучести. Поэтому напря-
жения снимаются только в элементах, наиболее нагруженных
от прилагаемых нагрузок, в остальных, например в участках
с приваренными ребрами, фланцами и т. и., они остаются почти
без изменений.
Нагружение до предела текучести конструкций, при сварке
которых возможно образование малопластических закалочных
структур в околошовной зоне, не приводит к снятию сварочных
напряжений. В этом случае сварочные напряжения могут быть
сняты только высоким отпуском. Выполнен ряд исследовательских
работ по уменьшению либо полному устранению сварочных на-
пряжений при помощи ультразвука.
Устранение деформации путем термической правки. При тер-
мической правке нагрев производят газокислородным пламенем
либо электрической дугой неплавящимся электродом. Темпера-
тура нагрева деформированного участка при термической правке
составляет 750—850° С. Нагретый участок стремится расши-
риться, однако окружающий его холодный металл ограничивает
возможность расширения, в результате чего возникают пластиче-
ские деформации сжатия. После охлаждения линейные размеры
170
Рис. 4-28. Правка деформированной тавровой балки нагревом (кружками
и полосками указаны места нагрева):
а — правка при вогнутой полке, б — правка при сложной деформации,
в — правка при выпуклой полке
нагретого участка уменьшаются, что приводит к уменьшению
или полному устранению деформаций
На рис. 4-28, а показаны деформированная балка с приварен-
ными косынками и места, подлежащие нагреву при правке. Если
балка таврового сечения деформируется после сварки в сторону
пояса, ю рекомендуется править ее, как показано на рис. 4-28, в,
и нагревать ряд участков самого пояса. В практике часто наблю-
дается сложная деформация стенки и пояса (рис. 4-28, б).
Для устранения такой деформации производят нагрев как верти-
кальной стенки, так и пояса.
Для правки сварных конструкций требуется определенный
навык. Поэтому, если в производственных условиях неизбежна
правка конструкций, то для выполнения термической правки
необходимо специально обучать рабочих В случае деформации
тонкого листа, приваренного к массивной раме, правку можно
осуществлять путем нагрева в симметрично расположенных точ-
ках с выпуклой стороны листа. Нагрев следует начинать от центра
выпуклости.
Устранение деформации путем механической правки. Для устра-
нения деформации механическую правку можно осуществлять на
прессах или при толщине металла до 3 мм вручную ударами мо-
лотка. Этот вид правки менее целесообразен, чем термическая
правка, и его применение следует ограничивать. При механической
правке образуется местный наклеп, повышающий предел текуче-
сти металла. Пластические свойства металла резко снижаются,
особенно у кипящей стали. Вызываемая наклепом неоднородность
механических свойств сказывается отрицательно на статической
прочности конструкции и при эксплуатации конструкции под
переменными нагрузками.
Общие сведения
о сварных соединениях
§ 5-1. Требования к сварным соединениям
В зависимости от типа и назначения изделия видо-
изменяются и конкретизируются требования,
предъявляемые к сварным соединениям. Поэтому
их нельзя сформулировать в общем виде. Можно
лишь утверждать, что любому сварному соединению
должна быть обеспечена достаточная работоспособ-
ность при минимальной трудоемкости его изготов-
ления. Под достаточной работоспособностью свар-
ного соединения в большинстве случаев подразуме-
вают сохраняемую в течение всего срока эксплуата-
ции необходимую и достаточную прочность, вынос-
ливость и устойчивость при заданных виде нагруже-
ния и рабочей среде. Прочность сварного соединения
определяется механическими свойствами металла
шва и околошовной зоны, надлежащей для данных
условий согласованностью свойств этих участков и
основного металла, стойкостью против перехода
в хрупкое состояние, конфигурацией шва и его раз-
мерами, наличием и характером дефектов.
Требования к пластическим и прочностным ха-
рактеристикам металла шва должны быть различ-
ными в зависимости от типа соединения и условий
работы конструкции. Обычно их задают равными
аналогичным свойствам основного металла. Это де-
лают скорее по традиции, чем исходя из обоснован-
ных данных, что не всегда оправдано. Тот же подход
(т. е. равноценность соответствующим характери-
стикам основного металла) сохраняется и в отноше-
нии стойкости металлов шва и околошовной зоны
против перехода в хрупкое состояние. В большин-
стве случаев регламентируют или величину ударной
вязкости при заданной температуре испытания,
или значение критической температуры перехода
в хрупкое состояние.
172
Выполнение указанных требований для литого металла шВа
и металла околошовной зоны в состоянии после сварки весьма
затруднительно и, как правило, требует значительного услож-
нения технологического процесса и применения специальных
сварочных материалов. В некоторых случаях для выполнения
таких требований приходится поступаться другими, иногда даже
более существенными характеристиками металла шва (стойкость
против образования пор и трещин, форма усиления и состояние
поверхности шва).
Для стыковых швов в подавляющем большинстве случаев
должны быть обеспечены полный провар соединяемых элементов
и форма усиления с плавным переходом от основного металла к ме-
таллу шва. Наличие плавного перехода от шва к основному ме-
таллу положительно сказывается на прочности сварного соедине-
ния при динамических нагрузках, изгибе и технологических опе-
рациях, связанных с вальцовкой и правкой. Для угловых швов
необходимо выдерживать определенные расчетом размеры шва
или минимальные размеры, назначаемые по технологическим
соображениям. При назначении минимального сечения углового
шва по технологическим соображениям исходят из возможности
качественного выполнения такого шва в производственных усло-
виях. Если сечение шва, определяемое по расчету, меньше сече-
ния шва, назначаемого по технологическим соображениям, то
оно должно быть доведено до величины последнего. Оптимальной
считается вогнутая (рис. 5-1, а) или нормальная форма поверхности
углового шва (рис. 5-1, б) с плавным переходом к основному металлу.
Плавное очертание поверхности шва предопределяет снижение
концентрации напряжений, в результате чего существенно повы-
шается выносливость при вибрационных нагрузках. Выпуклая
форма поверхности шва нежелательна из соображений прочности,
а также и по экономическим соображениям. При выпуклом шве
нерационально расходуется дополнительный металл.
Большое влияние на прочность сварного соединения оказы-
вают трещины, непровары, охрупчивание металла околошовной
а — вогнутая,
Рис. 5-1. Форма поверхности углового шва:
б — нормальная
173
Зоны и другие возникающие йри сварке дефекты. Поэтому при
разработке технологического процесса сварки особое внимание
должно быть уделено выбору таких приспособлений, материалов,
способов и режимов сварки, при которых минимальна вероятность
образования дефектов. В процессе формирования сварного соеди-
нения возникают деформации и создается поле остаточных на-
пряжений, которые могут снизить прочность конструкции в це-
лом.
Нарушения размеров и формы сварного соединения, вызван-
ные возникшей в результате сварки деформацией, могут суще-
ственно изменить условия его работы и привести к резкому уве-
личению напряжений. Правка покоробленных при сварке эле-
ментов является весьма трудоемкой операцией, резко повышающей
стоимость изготовления изделия. Поэтому при разработке тех-
нологического процесса сборки и сварки следует стремиться
к максимально возможному, исходя из требования сохранения
высокого качества, уменьшению сечения швов и ширины около-
шовной зоны (см. гл. 4). Надлежащее качество сварного соеди-
нения может быть достигнуто только при свободном доступе к ме-
сту сварки.
§ 5-2. Типы сварных соединений и швов
В зависимости от взаимного расположения сваривае-
мых элементов различают следующие виды соединений.
Стыковое соединение. Образовать стыковое соединение могут
элементы одинаковой (рис. 5-2, а) или различной толщины
(рис. 5-2, б). Толщина металла неограничена. Если сопрягают
листы различной толщины, то на более толстом из них делают
скос с одной или с двух сторон до толщины меньшего листа. Если
разница в толщине сопрягаемых элементов не превышает 2—5 мм
(в зависимости от толщины свариваемого металла), скос не про-
изводят. Разновидностью стыкового соединения является соеди-
нение с отбортовкой кромок (рис. 5-3), применяемое при сварке
металла толщиной до 3 мм.
Тавровое соединение. Угол между полкой и стенкой может
быть прямым (рис. 5-4), острым или тупым. Сочетание толщин
может быть разнообразное.
Нахлесточное соединение (рис. 5-5). Условно к нахлесточному
соединению относят пакет из двух элементов (рис. 5-6). Нахле-
сточное соединение обычно образуют из металла толщиной до
20 мм.
Рис. 5-2. Стыковое соединение листов:
а — одинаковой толщины;
б — различной толщины
Рис. 5-3.
Соединение с отбортовкой
кромок
174
Рис. 5-4.
Тавровое соединение

Рис. 5-5.
Нахлесточное соединение
Рис. 5-6.
Пакет из двух элементов
Угловое соединение. Угол между сопрягаемыми деталями мо-
жет быть прямым (рис. 5-7), острым или тупым. Изредка приме-
няют соединение впритык (рис. 5-8).
Стыковое соединение в наибольшей степени соответствует спе-
цифике сварки и обеспечивает оптимальные условия передачи
усилий от одного элемента к другому. При нахлесточном соеди-
нении создаются неблагоприятные условия для передачи усилий,
так как в результате несоосности приложения нагрузки возни-
кает изгибающий момент. Кроме того, увеличиваются расход
металла и длина швов. Нахлесточное соединение имеет очень
низкий предел выносливости. К преимуществам нахлесточного
соединения относят значительно более низкие требования к точ-
ности заготовки элементов, а при металле толщиной до 4 мм —
также возможность сварки без обработки кромок путем соедине-
ния листов в состоянии после прокатки.
Шов, соединяющий детали в стыковом соединении, называют
стыковым, а в тавровом и нахлесточном соединениях — угловым.
Угловые швы могут быть сплошными или прерывистыми. Преры-
вистый шов выполняют отдельными отрезками — шпонками или
отдельными точками. Отрезки прерывистого шва могут быть
расположены друг против друга или в шахматном порядке
(рис. 5-9). При нахлесточном соединении применяют так называе-
мый прорезной шов. Он может быть сплошным (рис. 5-10, а, б),
шпоночным или состоять из отдельных точек-электрозаклепок
(рис. 5-11). Сплошной прорезной шов характерен для электронно-
лучевой, шпоночный и электрозаклепочный — для дуговой сварки.
При дуговой сварке шпоночный и электрозаклепочный швы
можно выполнять (в зависимости от толщины верхнего листа)
с образованием отверстия перед сваркой или без него.
Рис. 5-7.
Угловое соединение с пря-
мым углом между сопря-
гаемыми элементами
Рис. 5-8.
Соединение впритык
Рис. 5-9.
Расположение точеч-
ного шва в шахматном
Порядке
175
а}	6}
Рис. 5-10. Прорезной шов:
а — дуговая сварка,
б — электроннолучевая сварка
Рис. 5-11.
Прорезной шов, выполнен-
ный отдельными электроза-
клепками

Различают прямолинейные, круговые и спиральные швы и
швы более сложной конфигурации.
В зависимости от положения шва в пространстве и расположе-
ния источника нагрева по отношению к свариваемым кромкам
различают сварку в нижнем, вертикальном, горизонтальном,
потолочном и наклонном положениях. При дуговой сварке сты-
кового шва в нижнем положении соединяемые детали распо-
лагают в горизонтальной плоскости (рис. 5-12, а), а при электро-
шлаковом процессе и дуговой сварке с принудительным удержа-
нием жидкой ванны — в вертикальной плоскости (рис. 5-12, б).
При выполнении угловых швов в нижнем положении дуговым
способом детали располагают так, как это представлено на
рис. 5-12, в (сварка в «лодочку»). При толщине верхнего листа
до 12 мм возможна сварка с оплавлением кромки.
При сварке в нижнем положении электродный металл по мере
его плавления переносится в сварочную ванну сверху вниз
(в направлении силы тяжести), а поверхность сварочной ванны
Рис. 5-12. Сварка в нижнем положении:
а — дуговая сварка стыковых швов;
б — электрошлаковая сварка стыковых швов;
в — сварка швов таврового соединения «в лодочку»
176
занимает горизонтальное положение. В этом случае создаются
наиболее благоприятные условия для формирования шва. Сварку
в нижнем положении можно выполнять всеми способами сварки
плавлением. При сварке в нижнем положении под флюсом на-
клон продольной оси шва по отношению к горизонтальной пло-
скости не должен превышать 4°, при других способах дуговой
сварки наклон может достигать 8—10°.
Для современного уровня развития сварочной техники ха-
рактерно выполнение большинства швов в заводских условиях
в нижнем положении. Эго достигается путем рационального про-
ектирования конструкций и применения манипуляторов или дру-
гих приспособлений, позволяющих устанавливать детали под
сварку всех швов в удобном положении. В условиях монтажа
следует стремиться к выполнению в нижнем положении макси-
мального количества швов, применяя для этого укрупнительную
сборку и сварочные манипуляторы.
При сварке в вертикальном положении кромки соединяемых
элементов располагают вертикально на вертикальной плоскости.
Перенос дополнительного металла в сварочную ванну обычно
осуществляется в направлении, перпендикулярном к силе тя-
жести (рис. 5-13, а). В связи с указанными особенностями удовле-
творительное формирование шва достигается только при неболь-
шом объеме сварочной ванны. В этих условиях силы поверхност-
ного натяжения удерживают жидкий металл от стекания. Сварку
в вертикальном положении можно выполнять покрытыми элек-
тродами вручную или механизированным способом в защитном
газе на режимах, обеспечивающих малый объем сварочной ванны.
Сварку ведут, как правило, снизу вверх. Применяется также
сварка сверху вниз.
Путем манипуляций электродом можно приблизить характер
переноса металла при сварке в вертикальном положении к сварке
в нижнем положении (рис. 5-13, б). Источник теплоты при сварке
в вертикальном положении располагают перпендикулярно в вер-
тикальной плоскости или с небольшими отклонениями от такого
положения.
Рис. 5-14.
Сварка горизонтального
шва на вертикальной
плоскости
Рис. 5-13. Перенос металла при сварке в верти-
кальном положении:
а — горизонтальное положение электрода;
б — наклонное положение электрода
12 Заказ № 7§2”'
177
Рис. 5-15. Сварка шва в угол Рис. 5-16. Сварка в потолочном положении
При сварке горизонтальных стыковых швов кромки сваривае-
мых деталей расположены так, как показано на рис. 5-14. Перенос
металла в сварочную ванну осуществляется перпендикулярно
к направлению силы тяжести. Путем манипуляций концом элек-
трода и соответствующей разделки кромок в этом случае также
стремятся максимально приблизить характер переноса металла
к переносу в нижнем положении.
При сварке угловых швов тавровых и нахлесточных соедине-
ний в положении не в «лодочку» перенос металла в сварочную
ванну осуществляется под углом 45° к направлению силы тяжести
(рис. 5-15), т. е. сварка в этом случае производится, в сущности,
в полугоризонтальном положении. Такая техника выполнения
шва получила название сварки в угол или наклонным электродом.
Сварку стыковых и угловых швов в горизонтальном положе-
нии выполняют преимущественно покрытыми электродами вруч-
ную или механизированным способом в защитных газах. Сварку
угловых швов в положении не в «лодочку» производят при се-
чении шва (или слоя) не более 40 мм2. При большем сеченйи
наблюдается стекание металла на горизонтально расположенный
элемент. Сварка стыковых швов в горизонтальном положении
под флюсом принципиально возможна, но находит пока ограни-
ченное применение из-за сложности удаления шлаковой корки
и плохого формирования поверхностных слоев металла, связан-
ного с трудностью удержания шлака и жидкого металла.
Создание высокопроизводительного способа сварки стыковых
горизонтальных швов является серьезной проблемой сварочной
техники. Наличие таких швов неизбежно при монтаже крупных
листовых конструкций.
При сварке в потолочном положении свариваемые кромки
располагают так, как изображено на рис. 5-16. Перенос металла
с электрода в сварочную ванну осуществляется снизу вверх, т. е.
против силы тяжести, что препятствует нормальному формирова-
нию шва. Из-за сложности ведения сварки в потолочном положении
(шов расположен над головой сварщика) и ухудшения условий
дегазации ванны (пузырьки газов, всплывая, попадают в корень
шва) качество металла шва снижается. Сварку в потолочном поло-
жении выполняют главным образом вручную покрытыми элек-
тродами, короткой дугой. Возможна сварка таких швов в защит-
17?
нЫХ Газах. Сварку в Потолочном положении, как правило, При»
меняют только при монтаже крупных конструкций, при сварке
неповоротных стыков труб и при выполнении ремонтных работ.
Кроме нижнего, горизонтального и вертикального положений
возможно наклонное положение швов. В зависимости от распо-
ложения кромок наклонные швы могут быть полупотолочными,
полувертикальными и полугоризонтальными. Наклонные швы
всех видов сваривают вручную покрытыми электродами и меха-
низированными способами в защитных газах. Швы, расположен-
ные под углом от 45 до 80° к горизонтальной плоскости, можно
сваривать электрошлаковым способом. Сварка под флюсом при
наклонном положении шва не применяется.
При лучевых способах сварки возможно выполнение швов
во всех пространственных положениях, но практическое приме-
нение находит в основном сварка в нижнем положении.
§ 5-3. Подготовка и сборка деталей
под сварку
Точность подготовки деталей к сварке, их чистота
и качество сборки оказывают весьма существенное влияние на
несущую способность и экономичность сварной конструкции.
Недостаточно тщательное выполнение заготовительных и сбороч-
ных операций приводит к резкому возрастанию вероятности появ-
ления дефектов в сварных соединениях.,и в конструкции в целом.
Анализ дефектов, возникающих при сварке, однозначно показы-
вает, что значительную долю брака следует отнести за счет пло-
хого качества подготовки и сборки. Исправление брака в готовом
изделии не всегда приводит к полному восстановлению заданных
свойств сварного соединения и является трудоемкой и технически
сложновыполнимой операцией.
Отсюда очевидно, что значительно рациональнее устранять
дефекты, появившиеся при заготовке и сборке, до проведения опе-
рации сварки. Однако не следует предъявлять излишние и подчас
трудновыполнимые требования к точности заготовок и их сборке
под сварку, значительно удорожающие изготовление конструк-
ции. Применяемые на практике способы сварки позволяют полу-
чать качественные сварные соединения при некоторых допусти-
мых колебаниях точности заготовки деталей и сборки. Это воз-
можно, безусловно, следует использовать.
Для получения заготовки, подлежащей сборке, необходимо
выполнять ряд операций. Предварительно прокат, из которого
будет изготовлена деталь, подвергают правке и зачистке с целью
устранения загрязнений и неровностей, образовавшихся при
прокатке, транспортировке и хранении металла. Правку листо-
вого материала осуществляют в правильных станах, зачистку —-
в дробеметной установке или в специальных ваннах для травления
и пассивирования.
12*	179
Затем выполняют разметку или наметку деталей: разметку —
путем перенесения размеров заготовки с чертежа непосредственно
на металл, кернения металла по линии будущего реза и марки-
ровки детали; наметку — путем перенесения на металл необходи-
мых для изготовления заготовки размеров с шаблона, специально
изготовленного из тонколистового металла, фанеры или картона.
Чертилкой обводят контуры шаблона, после чего его удаляют,
вдоль всей линии реза наносят керны и деталь маркируют. Вы-
резку заготовок производят на ножницах, автоматическими газо-
пламенными машинами или ручными резаками. В последнее
время начинает применяться резка сжатой дугой.
В некоторых случаях для удаления наклепанного металла,
образовавшегося по кромкам при резке на ножницах, устранения
неровностей, характерных для ручной газовой резки, кромки
подвергают механической обработке на кромкострогальных стан-
ках. В случае необходимости используют холодную гибку металла
или гибку в нагретом состоянии. Выбор того или иного способа
определяется толщиной металла и радиусом кривизны неровности.
В зависимости от толщины свариваемого металла и формы раз-
делки кромки подготовляют обрезкой на ножницах, строганием
или газовой резкой. Наибольшее применение находит механизи-
рованная (машинная) кислородная резка, обеспечивающая вы-
сокую производительность и достаточную в большинстве случаев
точность подготовки кромок. Последующая механическая обра-
ботка при качественном резе для сталей большинства марок не
требуется. Необходимая точность подготовки кромок определяется
типом шва, способом и режимом сварки. Отклонения от заданных
размеров могут привести к снижению качества шва или повыше-
нию трудоемкости работ.
Основной металл до сборки в местах сварки должен быть очи-
щен от ржавчины, масла, влаги, рыхлого слоя окалины и других
загрязнений, могущих привести к образованию пор и других
дефектов в швах. Особое внимание должно быть уделено зачистке
металла при механизированных способах сварки. На рис. 5-17
показаны места, подлежащие зачистке перед дуговой сваркой для
соединений различных типов. Особо тщательно следует зачищать
торцы соединяемых элементов.
Зачистку производят до сборки узла механически (песко-
струйным или дробеструйным способами, металлическими щет-
ками, абразивом) или химически (травлением, газопламенной
очисткой). Следует удалять с поверхности металла рыхлый слой
ржавчины и окалины, а также грязь и лед даже в том случае,
если загрязнение расположено вне места сварки. Это необходимо
для того, чтобы при транспортировке и кантовке конструкции
загрязнения не попали в место расположения будущего шва.
Зачистка собранного узла в большинстве случаев безрезультатна,
так как не достигается основная цель — очистка свариваемых
кромок, а иногда даже и вредна в связи с тем, что продукты за-
180
Рис. 5-17. Участки металла, зачищаемые перед сваркой (указаны жирной
линией)
чистки, попадая в зазор (особенно после сварки первого шва
таврового соединения), задерживаются там.
Имеет смысл только прожигание места сварки газовым пла-
менем или продувка сухим сжатым воздухом непосредственно
перед сваркой. При этом удаляются попавшие в зазор уже после
сборки влага и грязь. Эта операция достигает цели при прожига-
нии металла толщиной 10—12 мм с одной стороны и 18—20 мм
с двух сторон. При электрошлаковой сварке в большинстве слу-
чаев зачистки кромок не требуется.
Сварке всегда предшествует сборка конструкции, т. е. уста-
новление и фиксация деталей в предусмотренном проектом по-
ложении. Сборка под сварку является одной из трудоемких и
наименее механизированных операций. Она должна обеспечи-
вать возможность качественной сварки конструкции. Для этого
необходимо выдержать заданный зазор между соединяемыми
деталями, установить детали в проектное положение и закрепить
между собой так, чтобы взаиморасположение деталей не наруши-
лось в процессе сварки и кантовки, а если необходимо,— и транс-
портировки. Должен быть обеспечен свободный доступ к месту
сварки. При электрошлаковой сварке детали, как правило, соби-
рают с расширяющимся к концу шва зазором, что позволяет ком-
пенсировать усадку металла шва.
В подавляющем большинстве случаев взаимное расположение
деталей перед дуговой сваркой фиксируется при помощи коротких
отрезков швов, называемых прихватками (рис. 5-18, а). Сечение
181
a)
Рис. 5-18. Способы закрепления деталей перед сваркой
а — прихватки, б — гребенки, в — концевые планки
прихваток не должно превышать V3 сечения шва. Их максимальное
сечение не более 25—30 мм2, длина 20—120 мм, расстояние между
ними 300—800 мм. Прихватки выполняют покрытыми электро-
дами, в защитных газах или под флюсом. В ряде случаев, особенно
при сварке жестких узлов, прихватки заменяют сплошным швом
небольшого сечения (беглым швом), что значительно повышает
стойкость металла шва против кристаллизационных трещин и
уменьшает вероятность нарушения заданного взаимного распо-
ложения деталей в процессе сварки вследствие растрескивания
прихваток Беглый шов сваривают вручную или механизирован-
ным способом.
Прихватки и беглый шов рекомендуется выполнять со стороны,
обратной наложению первого рабочего шва или слоя. Беглый шов
кроме скрепления деталей служит для удержания флюса и ме-
талла сварочной ванны в зазоре. При сварке ответственных кон-
струкций вручную или в защитных газах на режимах, обеспечи-
вающих малую глубину провара основного металла, прихватки
и беглый шов следует удалять при наложении рабочего шва путем
расчистки корня шва. При сварке под флюсом и в защитных газах
на режимах, обеспечивающих достаточное проплавление основ-
ного металла, эта операция излишняя.
Для скрепления деталей перед сваркой и в процессе нее при-
меняют специальные планки-гребенки, удаляемые по мере форми-
рования шва (рис. 5-18, б). Недостатками гребенок являются за-
траты металла на их изготовление и необ-
ходимость сварки и последующей зачистки
остатков прихваток, расположенных на
основном металле.
Для закрепления деталей широко
применяют струбцины, клинья, стяжные
уголки и другие механические приспособ-
ления. В некоторых случаях при массо-
Рис 5-19. Сборка стыковых соединений при элект-
рошлаковой сварке
182
вом характере производства используют специальные кондук-
торы, в которых осуществляется сборка и сварка.
По концам детали обычно устанавливают специальные планки
для вывода начала и конца шва за его пределы (рис. 5-18, в).
Эти же планки служат и для скрепления деталей. При сварке
с обязательным зазором в верхнюю часть зазора вводят короткие
прокладки, которые соединяют с листами при помощи прихваток.
При электрошлаковой сварке для фиксации деталей применяют
скобы (рис. 5-19), устанавливаемые на расстоянии 500—1000 мм
друг от друга. Иногда применяют вставки, удаляемые при под-
ходе сварочного аппарата. Для вывода начала шва за пределы
соединения при электрошлаковой процессе применяют выводные
планки, имеющие ту же толщину, что и основной металл. Они
также служат элементом, скрепляющим детали между собой.
§ 5-4. Конструктивное оформление и техника
выполнения стыковых швов
Стыковое соединение обеспечивает возможность пе-
редачи усилия непосредственно от одной детали к другой без
использования промежуточных элементов. Оно является опти-
мальным по количеству затрачиваемого металла и условиям ра-
боты соединения под нагрузкой. Стыковой шов должен гаранти-
ровать провар металла по всей его толщине. Наиболее рационален
стыковой шов, образованный за счет расплавления только основ-
ного металла На практике такие швы применяют в небольшом
объеме из-за ограничения предельной глубины проплавления при
используемых источниках сварочного нагрева, невозможности
сборки соединяемых деталей без зазора, а при наличии зазора —
из-за"потребности дополнительного металла для его заполнения.
Наиболее характерен такой тип шва для электроннолучевой
Рис. 5-20, Односторонний шов
Q — ОДНОСЛОЙНЫЙ,
б — многослойный
сварки, однако отсутствие дополнительного металла ограничивает
область применения и этого способа. Поэтому ведутся работы
по сварке электронным лучом с дополнительным металлом.
В зависимости от количества слоев (проходов), необходимых
для образования стыкового шва с полным проваром основного
металла, различают однослойные и многослойные стыковые швы.
При сварке изделия с одной стороны швы называют односторон-
ними (рис. 5-20, а, б), с двух сторон — двусторонними (рис 5-21,
а—в). Односторонние и двусторонние швы могут быть однослой-
ными и многослойными (рис. 5-20 и 5-21).
Если сечения обоих швов при двусторонней сварке примерно
равны между собой, то такой шов называют симметричным
(рис. 5-21, а, б), если сечение шва с одной стороны больше сечения
шва с другой стороны —несимметричным (рис 5-21, в) Слой боль-
шего сечения называют основным, а слой меньшего сечения — под-
варочным. Какой из швов должен быть сварен первым, зависит
от конкретных условий сварки. Один из швов в несимметричном
шве может быть многослойным, а другой — однослойным
(рис. 5-21, в).
181
Рис. 5-22. Основные параметры (однослойного
стыкового шва при дуговой сварке
Стыковые однослойные швы. Наи-
более целесообразно выполнять стыко-
вые швы в один слой. Конфигурация
однослойного стыкового шва характе-
ризуется следующими параметрами
(рис 5-22)- общая толщина шва Н\ глубина провара h\ ширина
провара Ь; максимальная высота усиления а. Кроме этих основ-
ных параметров конфигурация стыкового шва характеризуется
углом перехода от металла шва к основному металлу; сечением
шва, образованным за счет расплавленного основного металла
и вводимого в сварочную ванну дополнительного металла; суммар-
ной площадью шва, коэффициентом формы шва (отношение ши-
рины шва к глубине проплавления) и коэффициентом формы уси-
ления (отношение ширины шва к высоте усиления).
Сварку однослойных швов можно вести без зазора, в этом
случае максимальная величина зазора определяется точностью
подготовки кромок и колеблется в пределах 0—3 мм с обязатель-
ным зазором или со скосом кромок (рис. 5-23, а—в).
Толщина металла, при которой возможна дуговая сварка
стыковых швов без разделки кромок, зависит от мощности источ-
ника нагрева и от возможности обеспечения нормального форми-
рования шва (табл. 5-1)
Как видно из табл. 5-1, предельная толщина металла, при
которой возможна сварка в один слой с одной или двух сторон,
может быть увеличена за счет применения обязательного зазора
между свариваемыми кромками или скоса кромок. Это дости-
гается за счет увеличения глубины проплавления на величину,
равную усилению (рис 5-23, а—в). Конфигурация разделки может
быть любой, но она не должна выходить за пределы проплавления,
типичные для данного режима Глубина провара определяется
условиями равновесия между давлением дуги и гидростатическим.
Рис. 5-23. Подготовка кромок при дуговой сварке однослойных швов
а — без зазора б — с обязательным зазором в — со скосом кромок,
1 — введенный в шов дополнительный металл 2 — подверг
шийся расплавлению основной металл
185
Таблица 3-1
Максимальная толщина (мм) металла,
свариваемого в один слой с одной или двух сторбй
Сварка	Односторонний шов		Двусторонний шов	
	с обязатель- ным зазором нлн скосом кромок	без зазора	с обязатель- ным зазором нли скосом кромок	без зазора
Вручную покрытыми электро- дами. обычное покрытие . . .	3	2	5	3
покрытие, обеспечивающее глубокий провар . .	5	4	8	6
Полуавтоматическая в углекис- лом газе или под флюсом про- волокой сплошного сечения	10	8	16	12
Автоматическая под флюсом	22	18	42	32
давлением, оказываемым жидкими металлом и шлаком. Следо-
вательно, на сколько снизится точка Аг по сравнению с точкой А,
на столько же снизится и точка Бг относительно точки Б. Вели-
чина Н при этом останется постоянной (рис. 5-23).
Недостатком сварки с разделкой кромок, по сравнению со
сваркой с обязательным зазором, является большая стоимость
работ по подготовке деталей к сварке. Ее преимущество заклю-
чается в улучшении условий формирования шва за счет равно-
мерного отвода теплоты от его корня при сварке первого слоя
двусторонних швов, что снижает вероятность образования кри-
сталлизационных трещин и шлаковых каналов (§ 6—6), наблюдае-
мых при сварке с обязательным зазором.
Хорошее формирование шва обеспечивается при сечении раз-
делки или зазора, равном 50—70% сечения вводимого в шов элек-
тродного металла. При этом избыточный дополнительный металл
образует небольшое усиление, обеспечивающее плавность пере-
хода от шва к основному металлу (рис. 5-24, а). Если сечение
разделки или зазора равно сечению вводимого в шов электрод-
ного металла, то шов формируется без усиления, заподлицо
с основным металлом (рис. 5-24, б). Если сечение разделки или
а)	Б)	в)
Рис. 5-24. Формирование шва при различной площади_разделкп или зазора:
а — площадь разделки равна ~60% площади, вводимого в шов электрод-
ного металла,
б — то же 100%;	е — то же более 100%
186
зазора больше сечения вводимого в шов электродного металла,
то толщина шва будет меньше толщины основного металла
(рис. 5-24, в).
При автоматической и полуавтоматической сварке однослой-
ных швов форму разделки определяют по нижеприведенной схеме.
Исходя из принятого режима сварки, при котором обеспечивается
необходимая глубина проплавления основного металла, рассчи-
тывают сечение вводимого в шов электродного металла (при одно-
сторонней или двусторонней сварке) по формуле
р __ р
Я эл Уев ’
где Гэл — сечение электродной проволоки, мм2; иэл — скорость
подачи электродной проволоки, м/ч; исв — скорость сварки, м/ч.
Сечение разделки определяют по формуле
где ky —• коэффициент, учитывающий усиление шва, обычно рав-
ный 1,4—1,6.
По площади сечения разделки, задаваясь углом раскрытия
кромок 50—70° (в зависимости от ширины шва), определяем ее
глубину. Глубина разделки должна быть меньше глубины про-
вара. Ширину зазора а при сварке с обязательным зазором опре-
деляют по формуле
При односторонней сварке п равно толщине свариваемого ме-
талла; при двусторонней сварке п равно 0,7 этой толщины. Одно-
слойная сварка под флюсом наиболее целесообразна для соеди-
нения металла толщиной 5—42 мм. Дальнейшее увеличение тол-
щины металла, свариваемого в один слой, ограничивается слож-
ностью обеспечения нормального формирования шва большого
сечения, а не отсутствием источников нагрева необходимой мощ-
ности. Плохое формирование шва проявляется в неравномерном
бугристом очертании его поверхности, узком и глубоком проваре,
способствующем снижению стойкости металла шва против обра-
зования кристаллизационных трещин.
Для предупреждения появления шлаковых каналов при сварке
с обязательным зазором рекомендуется заполнять зазор металли-
ческим наполнителем (железным порошком, рубленой проволо-
кой, окатышами и др.). Это обеспечивает существенное уменьше-
ние вероятности образования шлаковых каналов и несколько
улучшает металлургическую обработку сварочной ванны. Однако
стоимость шва вследствие относительно высокой цены напол-
нителя и дополнительной операции по его засыпке в зазор повы-
шается. Применение наполнителя обычного состава не дает воз-
187
можности повысить линейную скорость сварки, увеличить макси-
мальную толщину металла, свариваемую за один проход, и сни-
зить вероятность появления кристаллизационных трещин. По-
этому более перспективна сварка без зазора со скосом кромок.
Первый слой двусторонних швов можно сваривать любым
способом, обеспечивающим удержание сварочной ванны в зазоре
между кромками, применяя ручную подварку, временную под-
кладку, флюсовую подушку, заделку зазора асбестом, ременную
или медную подкладку и др. Шов со второй стороны сваривают
«на весу». Выполнение первого слоя «на весу» возможно для руч-
ной и полуавтоматической сварки при зазоре не более 2 мм, а
для автоматической сварки под флюсом — при зазоре не более
1 мм. Ручную подварку не удаляют, а переваривают в процессе
наложения последующего шва.
При двусторонней сварке оба слоя, как правило, сваривают
с одинаковым проваром, составляющим 60—70% толщины основ-
ного металла. Это обеспечивает достаточно большое перекрытие
проваров. При необходимости можно сваривать двусторонние
швы так, чтобы провар одного слоя составлял 30—35% толщины
металла, а второго— 70—80%. Такой способ используют в том
случае, если первый слой сваривают вручную покрытыми элек-
тродами, полуавтоматом под флюсом или в углекислом газе, а
второй — автоматом под флюсом. Дальнейшее уменьшение глу-
бины провара первого шва недопустимо, так как если глубина
провара при сварке второго шва, который выполняют «на весу»,
превысит 80% толщины металла, неизбежен прожог соединения,
что связано со скачкообразным нарастанием глубины проплавле-
ния.
Сварка односторонних швов с полным проваром металла и
качественным формированием обратного валика представляет
сложную, до сих пор не решенную до конца задачу. При сварке
односторонних швов для обеспечения полного провара кромок
металл необходимо доводить до расплавления на всю толщину
свариваемых деталей. Если не принять специальных мер, то ни-
чем не удерживаемая сварочная ванна вытечет из стыка и вместо
шва образуются прожоги. Для предотвращения вытекания сва-
рочной ванны под стык устанавливают специальные приспособле-
ния, получившие название подкладок и подушек. В зависимости
от материала различают медные, флюсо-медные, флюсо-керами-
ческие и стальные подкладки и подушки. Находят также приме-
нение подкладки из стекловолокна и других материалов.
Сварка с полным проваром без принятия специальных мер
для удержания сварочной ванны, т. е. «на весу», возможна для
тонкого металла с подачей аргона со стороны корня шва. Аргон
резко увеличивает поверхностное натяжение жидкого металла,
способствуя удержанию сварочной ванны. Возможна сварка
покрытыми электродами на малой погонной энергии, когда сва-
рочная ванна удерживается силами поверхностного натяжения.
188
Флюсо-медная подкладка представляет собой медную полосу,
поджимаемую к основанию стыка, на поверхность которой в спе-
циальную канавку обычно треугольной формы насыпают слой
флюса. Подкладку устанавливают стационарно или передвигают
по мере сварки шва (скользящая подкладка). Флюс улучшает
формирование обратного валика и предохраняет подкладку от
непосредственного воздействия дуги.
Стальные подкладки приваривают к свариваемым деталям
(остающиеся подкладки) или удаляют после сварки (временные
или технологические подкладки). Толщина стальной подкладки
должна составлять 30—40% толщины свариваемого металла (а
при многослойной сварке — толщины слоя). Непременным усло-
вием для качественной сварки является точная подгонка под-
кладок. Зазор между стыком и подкладкой любого типа не должен
превышать 1 мм. Медная и флюсо-медная подкладки, остающиеся
и временные стальные подкладки служат не только для механиче-
ского удержания жидкой сварочной ванны, но и изменяют ха-
рактер теплоотвода от основания сварочной ванны, как бы уве-
личивая толщину свариваемого металла.
Флюсовая подушка не изменяет характера теплоотвода от
основания сварочной ванны и служит только для механического
удержания жидкого металла путем принудительного поджатия
флюса к основанию стыка. Поэтому при сварке на флюсовой
подушке полное проплавление основного металла достигается
при меньшей силе тока, чем при сварке на подкладках. Это свя-
зано с тем, что при ограниченном теплоотводе от основания сва-
рочной ванны глубина провара скачкообразно увеличивается
до полного проплавления кромок. Флюсовые подушки бывают
однородными и комбинированными.
При сварке на стальной привариваемой подкладке изменяется
характер кристаллизации металла шва в его корне (рис. 5-25, а)
по сравнению с характером кристаллизации этого участка при
сварке на флюсовой подушке (рис. 5-25, б) или флюсо-медной
подкладке. Это, как указывалось выше, благоприятно отражается
на стойкости металла против возникающих по оси шва кристалли-
зационных трещин. При сварке на остающейся подкладке иногда
наблюдаются трещины, берущие начало от щели между сопрягае-
мыми элементами.
Рис. 5-25. Характер кристаллизации корня
а — на остающейся подкладке;
в — при соединении «в замок»
шва при сварке:
б — на флюсовой подушке;
189
Сварка стыковых швов при соединении в замок (рис. 5-25, в)
не обеспечивает полного провара основного металла. Соединение
«в замок» применяется в круговых швах толстостенных труб и со-
судов. Характер кристаллизации тот же, что и при сварке на
остающейся подкладке, но возможно образование трещи ны от щели.
Применение подкладок и подушек позволяет получать одно-
сторонние швы. Однако, несмотря на большое количество исполь-
зуемых для этой цели технологических приемов и приспособлений,
не всегда удается обеспечить надлежащее и стабильное формиро-
вание обратного валика. Бывают случаи, когда форма обратного
валика даже в пределах одного стыка изменяется в широких
пределах. Поэтому стыковые швы ответственных конструкций,
как правило, сваривают с двух сторон. При этом качество сварки
значительно более стабильное и возможно получение однослойных
(двусторонних) швов на металле большей толщины (см. табл. 5-1).
Переход на одностороннюю сварку пока оправдан только
в случае действительной необходимости, например при изготов-
лении громоздких узлов, когда затруднена или вообще невозможна
их кантовка, или для изделий, размеры которых не позволяют
проводить сварку со второй стороны. При односторонней сварке
следует в большем объеме проводить контроль качества. Возра-
стает время, затрачиваемое на исправление дефектов, а при не-
которых условиях и на правку конструкций.
При автоматической сварке однослойных швов любой длины
и при сварке коротких швов (до 300 мм) вручную их заваривают
от начала до конца — напроход. При ручной сварке швов средней
длины для уменьшения сварочных деформаций и напряжений
их заваривают двумя участками (рис. 5-26, а), или так называемым
обратноступенчатым способом (рис. 5-26, б), или же от середины
к концам шва (рис. 5-26, в). При обратноступенчатом способе
сварки весь шов разбивают на отдельные участки длиной 100—
300 мм. Сварку каждого участка (ступени) выполняют в направ-
Рис. 5-26. Последовательность сварки однослойных швов вручную и полуавто-
матом. Длинной стрелкой указано общее направление сварки, ко-
роткой — направление сварки данной ступени (/—7 — последова-
тельность сварки)
190
Ленин, обратном общему направлений сйарки (рис. 5-26, б).
При этом конец каждой последующей ступени совпадает с нача-
лом предыдущей. При полуавтоматической сварке под флюсом
применяют как сварку напроход, так и сварку ступенями.
Производительность при выполнении однослойных стыковых
швов определяется линейной скоростью сварки, равной скорости
перемещения источника нагрева, и величиной коэффициента
использования сварочной установки. Максимальная скорость,
при которой возможно качественное выполнение стыкового одно-
слойного шва, зависит от вида и режима сварки, толщины свари-
ваемого металла, возможной точности направления конца элек-
трода по месту стыка и от формы сварочной ванны. Она практи-
чески не зависит от количества вводимого в шов за единицу вре-
мени дополнительного металла. Важные показатели для этого
случая — проплавляющая способность источника теплоты и
возможность качественного выполнения швов на повышенных
скоростях, для чего широкое применение находит многодуговой
процесс.
При однослойной сварке необходимы тщательная зачистка
металла и точная сборка под сварку, повышенная стабильность
режима, точное направление электрода, применение только кон-
диционных сварочных материалов, т. е. наличие высокой куль-
туры производства. Поэтому на практике подчас даже вопреки
технической целесообразности применяют многослойную сварку,
при которой дефекты, образовавшиеся в одном из слоев, устра-
няются при наложении последующих.
Стыковые многослойные швы. Если проплавляющая способ-
ность источника теплоты не обеспечивает возможности провара
основного металла с одной или двух сторон на всю толщину, то
производят специальную подготовку свариваемых кромок. В этом
случае между соединяемыми элементами оставляют пространство,
позволяющее приблизить источник теплоты к самой отдаленной
от поверхности точке основного металла. Достигается это за счет
скоса кромок с оставлением небольшого нескошенного участка —•
притупления, которое проплавляется в процессе сварки (рис. 5-27,
а—а).
К многослойной сварке со
скосом кромок даже для тол-
щин, которые могут быть сва-
рены в один слой, прибегают и
в тех случаях, когда отсутст-
Рис. 5-27. Форма разделки кромок,
применяемая при дуговой
сварке многослойных швов:
а — V образная;
б — рюмкообразная;
в — Х-образная,
г — двойная рюмкообразная
191
a)	5)	S)
Рис. 5-28. Размещение шва при различной подготовке кромок.
а — без скоса кромок,	б — с малым углом скоса кромок,
в — с оптимальным углом скоса кромок
вуют источники питания достаточной мощности, необходимо
уменьшить долю основного металла в металле шва (например
при сварке среднеуглеродистых, среднелегированных и других
марок стали), создать благоприятный термический цикл или
снизить вероятность образования дефектов и пр. Очевидно,
что такое решение вопроса менее целесообразно, чем сварка
без разделки кромок, так как в этом случае искусственно
удаляется часть основного металла, а образовавшаяся полость
заполняется другим, более дорогим, электродным или присадоч-
ным металлом. При этом металл шва на 60—80% состоит из
электродного и только на 20—40% из основного металла. Произ-
водительность сварки существенно снижается.
Условия, благодаря которым осуществляется провар корня
шва при многослойной сварке, ясны из схем, приведенных на
рис. 5-28. При сварке без разделки кромок при данной мощности
источника нагрева шов будет формироваться так, как показано
на рис. 5-28, а. Если раздвинуть кромки на расстояние, превос-
ходящее ширину шва, то при той же мощности источника нагрева
шов погрузится в разделку до такого положения, при котором
ширина его совпадет с шириной разделки (рис. 5-28, б).
При увеличении угла раскрытия кромок произойдет дальней-
шее понижение уровня сварочной ванны и при той же мощности
источника нагрева и форме шва будет достигнут провар соединя-
емых деталей в корне шва (рис. 5-28, в). При малом угле раз-
делки кромок трудно обеспечить провар и при многослойном шве.
Кромки под сварку разделывают путем удаления части ме-
талла по плоскости, расположенной под некоторым углом к вер-
тикальной оси (V-образная разделка кромок, рис. 5-27, а), или же
по специально подобранной криволинейной поверхности (рюмко-
образная разделка кромок, рис. 5-27, б). Характер подготовки
кромок под сварку при V-образной разделке определяется углом
раскрытия кромок а или углом скоса кромок-^-, величиной
притупления р и расстоянием (зазором) между свариваемыми
деталями а (см. рис. 5-27, а).
Угол раскрытия кромок выбирают с таким расчетом, чтобы
были обеспечены провар вершины угла притупления и оптималь-
ный коэффициент формы провара. При малом угле раскрытия
192
возможны непровар вершины угла (см. рис. 5-28, б) и возникнове-
ние кристаллизационных трещин. Последнее связано с тем, что
для достижения провара при этих условиях слой должен иметь
малый коэффициент формы. Угол раскрытия кромок практически
не зависит от толщины свариваемого металла и мало зависит от
способа сварки. При любой толщине необходимо создать условия
для качественного выполнения первого слоя.
Форма подготовки кромок при рюмкообразной разделке опре-
деляется величиной притупления р и величиной зазора а, назна-
чаемыми из тех же соображений, что и для V-образной разделки,
радиусом г, изменяемым в пределах 5—8 мм, и углом скоса кро-
мок а, равным 10—14°. По условиям формирования металла пер-
вого слоя и по сечению разделки предпочтительна рюмкообразная
подготовка кромок. Однако в этом случае увеличивается сложность
подготовки под сварку и требуется более точное направление
электрода по оси соединения для обеспечения провара кромок.
Для уменьшения сечения разделки применяют двустороннюю
V-образную разделку, называемую Х-образной (см. рис. 5-27, в),
и двустороннюю рюмкообразную разделку (см. рис. 5-27, г). Они
могут быть симметричными и несимметричными по отношению
к горизонтальной оси.
Применение двусторонней разделки позволяет на 30—40%
сократить сечение шва. Благодаря симметричности сечения шва
при двусторонней разделке значительно уменьшается угловая
деформация конструкции по сравнению со сваркой односторон-
него многослойного шва. Недостатками двусторонней разделки
кромок является трудность провара вершины угла, особенно при
сварке вручную, и сложность обеспечения совпадения притупле-
ния в обеих кромках.
Величина зазора зависит от толщины металла, способа сварки
и диаметра электрода. Опыт показал, что для обеспечения высокого
качества сварного соединения важно не столько абсолютное зна-
чение зазора, сколько постоянство его по длине соединения.
При значительных колебаниях ширины зазора трудно обеспечить
стабильность провара, постоянство сечения шва и хорошее его
формирование. Величина притупления определяется глубиной
проплавления металла, достигаемой при сварке первого слоя.
Она зависит от способа сварки, режима сварки и формы подго-
товки кромок. С разделкой кромок можно сварить металл любой
толщины.
Иногда применяют одностороннюю или двустороннюю раз-
делку только одной кромки (рис. 5-29). В этом случае сечение
разделки уменьшается незначительно, так как угол скоса одной
кромки практически равен углу раскрытия при симметричной
разделке, а доступ к вершине шва и направление электрода по
оси соединения значительно затруднены. Поэтому такой вид под-
готовки кромок следует рекомендовать только для специальных
случаев, например при сварке швов в горизонтальном положении
13 Заказ № 78?	l$J3
Рис. 5-29. Форма соединения при сварке горизонтальных швов со скосом только
одной из кромок
(рис. 5-30). Наличие нижней нескошенной кромки облегчает фор-
мирование шва.
Параметры различных видов разделки и выбор способов под-
готовки кромок для различных методов дуговой сварки регламен-
тированы ГОСТ 8713—70, 14771—69 и 5264—69. Однако эти
рекомендации не всегда бывают оптимальными, и поэтому следует
продолжать работы по уточнению существующих и созданию
новых вариантов подготовки кромок. Для автоматической сварки
многослойных швов в защитных газах возможно применение
сварки с щелевой разделкой (рис. 5-31). Опыт ее использования
еще невелик. Первые данные свидетельствуют о повышенной
вероятности образования дефектов. При толщине металла до 60 мм
сварка с щелевой разделкой по производительности процесса и
расходу электродной проволоки не имеет преимуществ перед
автоматической сваркой под флюсом с двусторонней рюмкообраз-
ной подготовкой кромок.
Общий принцип, который должен быть положен в основу вы-
бора формы разделки кромок для данных конкретных условий,
сводится к применению разделки минимального сечения, обеспе-
чивающей необходимое качество шва при принятом способе
сварки и имеющемся сварочном оборудовании.
Рис. 5-30.
Подготовка кромок при
сварке горизонтальных швов,
расположенных на верти-
кальной плоскости
194
Рис. 5-31. Щелевая разделка
Сборка с зазором между
кромками типична для электро-
шлаковой сварки. Величина
зазора в этом случае опреде-
ляется конструкцией и разме-
рами токоподводящих мунд-
штуков и необходимостью
создания шлаковой ванны
оптимального объема. Если тре-
буется сварить шов электро-
шлаковой сваркой без полного
провара при отсутствии доступа
со стороны внутренней поверх-
ности шва, то иногда приме-
няют разделку кромок. Параметры разделки кромок для элект-
рошлаковой сварки выбирают в соответствии с ГОСТ 15164—69.
Сварку многослойных швов вне зависимости от толщины ме-
талла следует, как правило, выполнять на одних и тех же режимах.
Толщина металла сказывается только на количестве слоев. Все
слои, кроме первого, рекомендуется выполнять на одном режиме.
Это особенно важно при автоматической и полуавтоматической
сварке: при этом отпадает необходимость в переналадке режима.
При наложении первого слоя требуются такие же меры для удер-
жания сварочной ванны, как и при однослойных швах. Форми-
рование обратного валика при односторонней сварке многослой-
ных швов тоже не отличается стабильностью.
Сечение слоя при сварке многослойных швов выбирают исходя
из необходимости стабильного провара корня шва и хорошего
формирования остальной его части. Сечение слоя определяется
положением шва в пространстве и способом сварки. Во всех слу-
чаях следует стремиться к максимальному сечению слоя, что
дает возможность уменьшить число слоев, снизить затраты вре-
мени на зачистку шлака, установку автомата и другие вспомога-
тельные работы. При сварке стыковых швов вручную площадь
поперечного сечения первого слоя (в мм2) выбирают по следующей
установленной практически зависимости:
FC1 = (6-8)d3J1,
где d3]1 — диаметр электрода, мм. Площадь сечения первого слоя
не должна превышать 30—35 мм2. Для обеспечения провара корня
шва сварку первого слоя следует выполнять электродом диаме-
тром не более 4 мм. Площадь сечения последующих слоев опре-
деляют по формуле
Гс = (8ч-12)4л-
При автоматической сварке под флюсом площадь сечения слоя
обычно не превышает 70—80 мм2, однако может достигать 100 мм2
13*
195
Рис. 5-32. Наложение первых слоев двусторонних многослойных швов:
а — первый слой,	б — второй слой с той же стороны,
в — первый слой с другой стороны
и более. Число слоев при всех методах сварки определяют по
формуле
n = k
п Ry рс >
где ky — коэффициент, учитывающий усиление шва, принимают
равным 1,2—1,3; Fp — площадь сечения разделки, мм2.
При многослойной дуговой сварке особенно тщательно сле-
дует выполнять первый проход, обеспечивающий провар корня
шва. При всех способах сварки его накладывают строго по оси
соединения без колебательных движений конца электрода. Сме-
щение шва на одну из кромок повышает стойкость против обра-
зования кристаллизационных трещин, но при этом возможны
непровары.
При сварке под флюсом ответственных конструкций режим
обычно выбирают так, чтобы первый слой, в котором наиболее
вероятно возникновение дефектов, при двусторонней сварке пол-
ностью, а при односторонней сварке почти полностью перевари-
вался последующими слоями (рис. 5-32, а—в и 5-33, а, б). Сечение
и форма первого слоя должны обеспечивать возможность погру-
жения его в разделку (см. рис. 5-28, в) Второй, а иногда и третий
слой также накладывают по оси соединения Все последующие
слои выполняют со смещением электрода от оси соединения на
одну из кромок с таким расчетом, чтобы каждый последующий
Рис. 5-33. Наложение первых слоев одностороннего многослойного шва
а — первый слой,	б — второй слой
196
Рис. 5-34. Сварка широкими слоями
слой перекрывал предыдущий при-
мерно на х/3 его ширины. В такой
последовательности сварку ведут
до полного заполнения разделки.
При автоматической сварке под
флюсом расчистку кромок корня
тпва перед сваркой со второй сто-
роны не производят.
При сварке вручную кроме
схемы наложения слоев, приведен-
ной на рис. 5-20, б, применяют
схему, показанную на рис. 5-34.
Для получения уширенных слоев
конец электрода перемещают в по-
перечном направлении (рис. 5-35).
При автоматической сварке
все слои многослойного шва вы-
полняют напроход последователь-
но один за другим. При ручной
сварке с целью уменьшения сва-
рочных деформаций, снижения
скорости остывания металла шва
и околошовной зоны и умень-
шения возможности образования
трещин, связанных с недостаточным сечением слоя, применяют
сварку секциями, каскадом и горкой (выполненную двумя свар-
щиками). Сущность этих методов ясна из схем, приведенных на
рис. 5-36, а—в. Длина каждой ступени в зависимости от состава
основного металла колеблется в пределах 300—600 мм. Каждый
последующий слой накладывают на еще не успевший остыть
предыдущий слой. Скорости охлаждения околошовной зоны и
металла шва невелики, так как нагрев основного металла при
наложении каждого слоя является как бы предварительным подо-
гревом перед сваркой последующего слоя. В наихудших терми-
ческих условиях находится первый слой, поэтому длину ступени
Рис. 5-35. Перемещение конца электрода
197
Рис. 5-36. Последовательность выполнения многослойных швов при ручной
и полуавтоматической сварке:
а — секциями;
б — каскадом;
в — горкой
и режим сварки выбирают так, чтобы перед наложением второго
слоя первый не успел остыть ниже температуры 200° С.
При сварке склонной к закалке стали толщиной более 30—
40 мм перед наложением первого слоя кромки подогревают.
Подогрев до температуры 200—250° С обычно осуществляют га-
зовыми горелками или индукторами. При сварке низкоуглероди-
стых, не склонных к закалке сталей длина ступеней значительно
увеличивается. При сварке секциями или горкой каждый слой
металла шва и окружающий его металл околошовной зоны про-
ходят цикл закалки (нагрев при сварке и охлаждение после нее)
и цикл отпуска (нагрев и охлаждение при сварке последующего
слоя). После сварки последнего слоя шва по границе сплавления
с основным металлом накладывают дополнительный, так назы-
ваемый отжигающий валик.
Сварку вертикальных швов с двусторонней подготовкой кро-
мок обычно ведут с двух сторон одновременно (сварка в две дуги).
При сварке вертикальных и горизонтальных швов силу тока
обычно снижают на 15—20% по сравнению с силой тока при сварке
в нижнем положении. Применяют электроды диаметром не более
5 мм, обеспечивающие получение сварочной ванны небольшого
размера. При сварке потолочных швов с целью облегчения пере-
носа электродного металла используют электроды диаметром не
более 4 мм и снижают силу тока на 20—25% по сравнению с силой
тока при сварке в нижнем положении. Сварку ведут при низком
напряжении дуги — короткой дугой.
Производительность процесса при выполнении многослойных
швов определяется скоростью сварки, которая зависит от вели-
чины притупления, сечения разделки, количества вводимого
в шов за единицу времени дополнительного металла и коэффи-
циента использования установки. Если скорость перемещения
198
Рис. 5-37. Подготовка стыка для двусто-
ронней сварки с увеличенным
притуплением (со стороны раз-
делки накладывается много-
слойный, а с другой сторо-
ны — однослойный шов)
источника нагрева для всех слоев
шва одинакова, то скорость сварки
определяется зависимостью
где ип. и — скорость перемещения
источника теплоты, м/ч.	д' ।
Если скорость перемещения источника нагрева от слоя к слою
изменяется, то скорость сварки определяется зависимостью
fCB = —----•---р--------— м/ч,	(5-1)
vn. И,	УП. И2	Уп. Ига
где fn. nJ fn. и2; ^п. нп — скорости перемещения источника теплоты
при сварке первого, второго и последующих слоев.
Для повышения производительности сварки стремятся макси-
мально увеличить величину притупления (рис. 5-37 и табл. 5-2),
применить разделку кромок наименьшего возможного сечения и
повысить количество вводимого в сварочную ванну за единицу
времени дополнительного металла. Чтобы повысить последний
показатель, увеличивают силу тока и число одновременно горя-
щих дуг, повышают коэффициент наплавки (за счет роста плотно-
сти тока и предварительного подогрева электрода) или вводят
в разделку металл в виде стержней, порошка, крупки, окатышей,
Таблица 5-2
Величина притупления кромок при различных способах сварки, мм
Односторонний шов | Двусторонний шов
Разделка кромок
Сварка	V-образ- ная с углом 55°	Рюмко- образная	Х-образ- ная с углом 55°	Двойная рюмко- образная	По рис. 5—37
Автоматическая под флюсом	5±1	8±1	7±1	12±1	14±1
Полуавтоматическая под флюсом и в углекислом газе проволокой сплош- ного сечения (без попе- речного колебания элек- трода) 		2+0,5	4,5+0,5	3±0,5	6±0,5	—
199
полос и т п Иногда дополнительный металл вводят во флюс или
в покрытие электродов Все эти меры имеют свои преимущества
и недостатки и повышают производительность процесса (по основ-
ному времени) примерно на 30—40% Выбор наиболее пригод-
ного способа увеличения количества вводимого за единицу вре-
мени дополнительного металла зависит от конкретных условий
сварки.
§ 5-5. Конструктивное оформление и техника
выполнения угловых швов и швов
других типов
Угловые швы могут быть однослойными и много-
слойными (рис 5-38, а, в) В некоторых случаях в угловых швах
тавровых соединений требуется полный провар одного из соединяе-
мых элементов (рис 5-39, а—в) Прочность углового шва зависит
от его длины, механических свойств металла шва и величины рас-
четного параметра, определяющего наименьшее сечение, по ко-
торому происходит разрушение соединения
Однослойные угловые швы. Эти швы получают за счет вводи-
мого в сварочную ванну дополнительного металла, заполняющего
угол между сопрягаемыми деталями (так называемая внешняя
часть шва), и основного металла, образующего внутреннюю часть
шва (рис 5-40) Отношение между этими частями зависит от спо-
соба и режима сварки Наиболее часто применяют однослойные
угловые швы без полного провара Конфигурацию однослойного
углового шва определяют такие параметры, как катеты внешней
части шва k, глубина проплавления по месту сопряжения сваривае-
С — многослойный
200
Рис 5-39. Угловой шов с полным проваром одного из элементов
а — двусторонний однослойный,
б — двусторонний многослойный несимметричный,
в — двусторонний многослойный симметричный
мых деталей s, расчетный параметр шва h, толщина шва Н, ши-
рина шва Ь, коэффициент формы шва ф (рис 5-41), площадь про-
плавления основного металла, площадь внешней части шва и
суммарная площадь шва.
При сварке вручную покрытыми электродами и полуавтомати-
ческой сварке в углекислом газе и под флюсом на токах до 250 А
сечение шва образуется в основном за счет его внешней части
(рис 5-42, а). При этом расчетный параметр шва равен 0,7k,
а коэффициент формы шва приближается к 2
При полуавтоматической сварке под флюсом и в углекислом
газе проволокой сплошного сечения на токах более 250 А без
поперечного колебания электрода и при сварке специальными
покрытыми электродами, обеспечивающими глубокое проплавле-
ние основного металла, на характерных для рассматриваемых
случаев режимах шов формируется за счет внешней части и про-
вара основного металла (рис 5-42, б). Расчетный параметр такого
шва равен 0,85£, а коэффициент формы шва изменяется в преде-
лах 1,5—1,6. При автоматической сварке под флюсом на харак-
терных для этого случая режимах глубина проплавления увели-
чивается (рис. 5-42, в) и расчетный параметр достигает значения
l,0fe Коэффициент формы шва составляет 1,3—1,4 Характер
формирования и разрушения швов, сварных различными спо-
собами, ясен из рис 5-43 Зависимость между расчетным пара-
метром и катетом швов, выполненных
различными способами (рис. 5-44), рас-
пространяется на многослойные и одно-
слойные швы, сваренные вручную, и
однослойные швы, сваренные под флюсом
и в углекислом газе. Штриховой линией
Рис 5-40 Строение однослойного углового шва
• — часть, образованная за счет расплав-
ления основного металла
201
Рис. 5-4].
Основные параметры одно-
слойного углового шва
на рис. 5-44 обозначены случаи," когда однослойный шов может
быть выполнен только в положении в «лодочку». Для нормального
формирования угловых швов при сварке в угол максимальные
размеры катетов не должны превышать 9 мм. В случае сварки
в «лодочку» максимальные размеры катетов составляют 16 мм
при автоматической сварке под флюсом и 12 мм при полуавто-
матической сварке под флюсом и в углекислом газе и при руч-
ной дуговой сварке. Швы большого сечения сваривают в не-
сколько слоев.
Путем применения специальных режимов сварки величину
расчетного параметра шва можно довести до l,3fe, для данного
случая фя«1. Швы со столь малым значением коэффициента
формы даже при сварке низкоуглеродистых и низколегированных
конструкционных сталей обладают пониженной стойкостью против
образования кристаллизационных трещин. Поэтому режимы
сварки, обеспечивающие такое формирование шва, не находят
пока практического применения. Все сказанное справедливо для
случая сварки сталей, для которых увеличение доли участия основ-
ного металла в металле шва не оказывает отрицательного влияния
на его свойства (стойкость против трещин, механические свойства
и др.).
Увеличение проплавления основного металла при механизиро-
Рис. 5-42. Конфигурация угловых швов
а — сварка покрытыми электродами;
б — сварка на режимах, характерных для полуавтоматических процессов,
в сварка на режимах, характерных для автоматической сварки под
флюсом
202
Рис. 5-43. Характер разрушения однослойного углового шва
а — сварка вручную покрытыми электродами,
б — автоматическая сварка под флюсом
ванных способах сварки позволяет уменьшить сечение внешней
части шва, что дает значительный экономический эффект. Дан-
ные о размерах внешних катетов швов, при которых обеспе-
чивается равнопрочность однослойных угловых швов, выполнен-
ных различными способами дуговой сварки на типичных для
них режимах, приведены на рис. 5-44. Швы сваривают в поло-
жении в «лодочку» или в угол (рис. 5-45, а—в).
При сварке угловых швов трудно обеспечить поджатие флюсо-
медной, асбестовой или другой подкладки к основанию шва.
Сварку, как правило, несмотря на принципиальную возможность
применения подкладок, ведут «на весу». Поэтому зазор между
деталями при сварке в положении в «лодочку», вручную покры-
тыми электродами и полуавтоматом под флюсом и в защитном газе
не должен превышать 2 мм, а при автоматической сварке под флю-
сом 1,5 мм. При сварке шва в угол зазор не должен превышать
3 мм. Места с увеличенным зазором
обычно подваривают беглым швом вруч-
ную или же механизированным спосо-
бом со стороны, обратной наложению
первого шва Подварочный слой пере-
варивают при наложении основного шва
При автоматической сварке нахле-
сточного соединения при толщине верх-
него листа до 8 мм возможна сварка
Рис. 5-44. Зависимость между расчетным пара-
метром h и катетом шва k
1 — сварка вручную покрытыми элект
родами,
2 — полуавтоматическая сварка под
флюсом н в углекислом газе про-
волокой сплошного сечеиия,
3 автоматическая сварка под флюсом
к, мм
13
1г
11
ю
з
8
7
6
5
if
3
I 3 If S $ 7 8 9 108,мм
203
Рис. 5-45. Различные методы сварки угловых швов:
б — в несимметричную «лодочку»,
г — с оплавлением кромки
а — в симметричную «лодочку*;
в — в угол;
углового шва вертикальным электродом с оплавлением кромки
(рис. 5-45, г). При механизированной сварке прерывистые швы
заменяют, как правило, сплошными швами меньшего сечения.
При двусторонней автоматической сварке под флюсом угловых
швов тавровых соединений за счет выбора режима можно обеспе-
чить полный провар стенки без разделки кромок при толщине
ее до 14 мм при однодуговой сварке и до 18 мм при многодуговой
сварке (см. рис. 5-39, а). При большей толщине стенки и выпол-
нении шва в один слой необходимо прибегать к разделке кромок
или установлению обязательного зазора. Эти меры позволяют
увеличить толщину провариваемого листа до 17 и 21 мм соответ-
ственно.
При полуавтоматической сварке под флюсом и в углекислом
газе проволокой сплошного сечения можно достичь полного про-
вара при толщине металла до 8 мм без разделки кромок и до 11 мм
при разделке кромок или обязательном зазоре. Получение гаран-
тированного провара стенки в производственных условиях —
весьма сложная задача. Для направления участка максимального
провара по месту сопряжения деталей рекомендуется сдвигать
ось электрода на стенку или выполнять сварку в положении не-
симметричной лодочки (см. рис. 5-45, б). Для повышения произ-
водительности следует увеличивать провар основного металла,
количество вводимого в шов за единицу времени дополнительного
металла и учитывать реальные механические свойства однослой-
ных угловых швов, которые при сварке обычными сварочными
проволоками значительно превосходят учитываемые при расчете.
Многослойные угловые швы. Многослойные угловые швы
в большинстве случаев также выполняют без полного провара
одного из элементов. Для многослойных угловых швов, свари-
ваемых вручную и механизированными способами на токах до
250 А, расчетный параметр шва определяют из зависимости й =
— 0,7А Для швов, выполняемых механизированной сваркой на
токах более 250 А, сечение шва может быть несколько уменьшено
204
д 12	16	20	20	20 мм 12	16	20	20	20 мм
Катеты многослойных швов,	Катеты многослойных швов,
выполненных покрытыми электродами выполненных покрытыми электродами
а]	в)
Рис. 5-46. Соотношение катетов при ручной и механизированной сварке:
а — сварка в положении в угол;	б — сварка в «лодочку»,
/ — полуавтоматическая сварка под флюсом и в углекислом газе про*
волокой сплошного сечения,
2 — автоматическая сварка под флюсом
за счет провара, обеспечиваемого по месту сопряжения соединяе-
мых элементов при наложении первого слоя.
Зависимость между катетами равнопрочных многослойных
угловых швов, выполненных на низкоуглеродистых и низколеги-
рованных сталях вручную и механизированными способами,
приведена на рис. 5-46, а, б. Размеры катетов первого слоя при-
няты в соответствии с данными, приведенными на стр. 202. Много-
слойный шов, сваренный вручную, на участке, обозначенном
штриховой линией, может быть заменен однослойным швом,
выполненным механизированными способами. При электрошла-
ковом процессе угловые швы тавровых соединений любого сечения
сваривают за один проход с полным (рис. 5-47) или неполным
проваром стенки.
Техника сварки многослойных угловых швов при положении
в «лодочку» не отличается от сварки стыковых швов. При выпол-
нении швов в угол техника сварки значительно усложняется,
так как требуется точное ведение электрода по оси соединения.
Отклонение конца электрода в этом случае не должно превышать
±1 мм. Угол наклона электрода поперек шва обычно составляет
20—30° к вертикали. Резкое смещение электрода в сторону вер-
тикального элемента вызывает образование подрезов и наплывов.
При смещении электрода в другую сторону наблюдается натек
металла па горизонтально расположенный элемент.
205
Рис. 5-47. Конфигурация углового шва с полным проваром стенки при электро-
шлаковом процессе
Для угловых швов число слоев определяют по формуле
_ F ВН   k?ky
Fe ~ Fc >
где FBll — площадь сечения части шва, образованного за счет
электродного металла, мм2; Fc — площадь сечения слоя, мм2;
ky—коэффициент, учитывающий увеличение сечения шва за
счет зазоров, обычно равный 1,2.
Максимальное значение Fc выбирают по технологическим
соображенийм.
В некоторых случаях при сварке тавровых соединений, рабо-
тающих в условиях знакопеременных нагрузок, проектом преду-
смотрен полный провар стенки. Чтобы добиться полного провара
стенки (кроме условий, оговоренных ранее), производят разделку
кромок и заварку образовавшейся полости в несколько слоев
(см. рис. 5-39, б, в).
Односторонняя разделка кромок и наличие выступающей
полки затрудняют проплавление вершины соединения и получе-
ние благоприятной в отношении стойкости против кристаллиза-
ционных трещин формы провара. Поэтому достижение надлежа-
щего и стабильного качества при сварке тавровых и угловых соеди-
нений с полным проваром является сложной задачей, требующей
весьма тщательного выполнения всех (особенно первого) слоев.
При электрошлаковом процессе техника выполнения углового шва
с полным проваром стенки сходна с техникой сварки стыкового шва.
206
Производительность по основному бремени при сварке уТловыХ
швов, так же как для стыковых швов, характеризуется временем,
затрачиваемым на его выполнение, или скоростью сварки. При
однослойной сварке скорость ее равна скорости передвижения
источника теплоты. При многослойной сварке скорость опреде-
ляется по формуле (5-1). Повышения производительности при
сварке однослойных угловых швов можно достичь путем умень-
шения внешней части шва за счет увеличения глубины проплав-
ления по месту сопряжений полки и стенки (величина s на
рис. 5-41), увеличения количества вводимого в шов за единицу
времени дополнительного металла и учета реальной прочности
металла шва, которые, как показывают статистические данные, зна-
чительно превышают расчетные. Пути повышения производитель-
ности при сварке угловых многослойных швов те же, что и при
стыковых многослойных швах (см. рис. 5-10).
Прорезные швы. При сварке прорезных швов должно быть
обеспечено плотное прижатие листов друг к другу. Если зазор
превышает 1,0—1,5 мм, возможны прожог верхнего листа и
вытекание сварочной ванны в зазор между соединяемыми эле-
ментами. Выполнение прорезных швов возможно при автомати-
ческой сварке под флюсом при толщине верхнего листа не более
12 мм. Сложность сборки под сварку (необходимость обеспечить
малый зазор между листами) и трудности контроля качества и
исправления дефектных участков приводят к тому, что прорезные
швы находят весьма ограниченное применение Хорошие резуль-
таты получают при выполнении прорезных швов электроннолу-
чевым процессом.
Электрозаклепки. При сварке электрозаклепками нахлесточ-
ного соединения зазор между сопрягаемыми листами нс должен
превышать 1 мм. Диаметр отверстия в верхнем листе должен
не менее чем на 4—5 мм превышать диаметр сварочной проволоки.
Возможна сварка электрозаклепками без образования отверстия
в верхнем листе. Диаметр электрозаклепки обычно принимают
равным двум-четырем толщинам свариваемого металла. Сварку
электрозаклепок производят с подачей проволоки или без нее.
Во втором случае дуга горит до естественного обрыва. При сварке
тонколистовых конструкций применяют точечные угловые швы,
состоящие из отдельных, расположенных друг от друга на опре-
деленных расстояниях точек. Сварку таких швов выполняют
полуавтоматом под флюсом или в углекислом газе. Держатель
перемещают от точки к точке без обрыва дуги.
§ 5-6. Влияние режима сварки
на форму и состав шва
Размеры и конфигурация шва или слоя (при много-
слойной сварке) определяются рядом величин (см. рис. 5-22 и 5-41).
Размеры и форма шва в значительной степени предопределяют
207
Рис. 5-48. Форма шва (слоя) при сварке угло-
вого шва и первого слоя много-
слойного шва при угле разделки
90°
стойкость его против возникнове-
ния кристаллизационных трещин,
плавность перехода от основного
металла к металлу шва и вероят-
ность образования подрезов, непро-
варов, наплывов и других дефектов,
а также экономичность процесса.
Установлено, что размеры шва и форма провара не зависят
от типа шва. Например, форма и размеры углового шва таврового
соединения, свариваемого в «лодочку», практически полностью
совпадают с формой и размером первого слоя многослойного
стыкового шва с углом раскрытия кромок 90° (рис. 5-48). Форма
валика, наплавляемого на пластину, практически идентична
форме первого слоя стыкового шва при рюмкообразной подготовке
кромок (рис. 5-49) и т. п.
Рассмотрим условия формирования шва при дуговой сварке.
Форма шва для этого случая зависит от режима, способа сварки
и положения шва в пространстве. Под понятием режим сварки
подразумевают совокупность факторов, определяющих условия
протекания процесса сварки. Сами факторы называют элемен-
тами (составляющими, параметрами) режима сварки. К основным
элементам режима дуговой сварки обычно относят величину, род
и полярность тока, диаметр (или сечение) электрода, напряжение
дуги, скорость перемещения дуги, вид защиты.
При автоматической сварке под флюсом с постоянной ско-
ростью подачи сварочной проволоки часто вместо величины тока
оперируют скоростью подачи сварочной проволоки, определя-
ющей в этих условиях величину тока. Чем выше скорость подачи,
тем больше должна быть сила тока для того, чтобы обеспечить
расплавление подаваемой в зону сварки проволоки. Из приведен-
ных на рис. 5-50 данных видно, что коэффициент наплавки уве-
личивается с увеличением плотности тока в электроде и падает
с увеличением напряжения дуги.
При ручной дуговой сварке важным элементом режима яв-
ляется величина поперечного перемещения конца электрода.
Рис. 5-49. Форма валика и первого слоя многослойного шва при рюмкообраз-
ной подготовке кромок
208
Рис. 5-50. Зависимость между величиной
тока и скоростью подачи сва-
рочной проволоки Св-08, свар-
ка под флюсом АН-348-А,
вылет проволоки 50 мм:
а — проволока диаметром 4 мм,
б — то же 5 мм,
в — то же 6 мм,
1 — напряжение дуги 30 — 32 В,
2 — то же 40 — 42 В,
3 — то же 50 — 52 В
Рис. 5-51. Зависимость между величиной
тока и глубиной провара при
напряжении дуги.
/ — низком;	2 — среднем;
3 — высоком
Существенное влияние на формирование шва оказывают вылет
электрода, положение электрода или сварочной проволоки в про-
странстве (вертикальное, наклонное) и положение изделия при
сварке.
Рассмотрим влияние различных факторов на размеры и форму
шва при дуговой сварке одним электродом. Сварка двумя и более
электродами, сварка электродной лентой или пластиной, сварка
с глубоким проваром и другие специальные приемы имеют свои
особенности. Однако общая закономерность влияния, оказывае-
мого элементами режима и условиями сварки на размеры и форму
шва, остается той же, что и при сварке одним электродом.
При рассмотрении влияния одного из элементов режима все
остальные элементы принимают постоянными.
Все установленные закономерности относятся к случаю, когда
глубина провара не превышает 0,7—0,8 толщины основного
металла. Если глубина провара превышает 0,7—0,8 толщины
основного металла, резко изменяются условия теплоотвода от
нижней части сварочной ванны, что приводит к скачкообразному
нарастанию провара вплоть до сплошного проплавления свари-
ваемого металла и к заметному изменению конфигурации и раз-
меров шва.
Величина, род и полярность тока. Изменение величины тока
связано с глубиной провара прямой зависимостью. С ростом силы
14 Заказ № 782	2 09
тока глубина провара увеличивается, с уменьшением — умень-
шается (рис 5-51) Такое влияние тока па глубину провара обус-
ловлено изменением давления, оказываемого столбом дуги на
поверхность сварочной ванны, и увеличением или уменьшением
погонной энергии сварки. Глубина провара h связана с величиной
тока практически линейной зависимостью
==
где k„—коэффициент пропорциональности, мм/А; /св—сила
тока, А
Значение коэффициента пропорциональности зависит от рода
тока, диаметра электрода, скорости сварки и определяется опыт-
ным путем. Существенное влияние на величину коэффициента
пропорциональности оказывает плотность основного металла.
С увеличением плотности металла значение kn падает и, следова-
тельно, для обеспечения той же глубины провара необходимо
увеличить силу тока. С уменьшением плотности металла наблю-
дается обратная зависимость. Этим явлением обусловлен обще-
известный факт увеличения глубины провара при сварке алюми-
ния по сравнению со сваркой стали при той же силе тока. Путем
изменения величины тока в большинстве случаев изменяют в же-
лаемом направлении глубину провара основного металла. На ши-
рину шва изменение величины тока оказывает незначительное
влияние, которое при решении практических вопросов можно
не учитывать.
Род и полярность тока также сказываются на глубине и ши-
рине провара. При сварке постоянным током обратной полярности
глубина провара примерно на 40—50% больше, чем при сварке
постоянным током прямой полярности При сварке переменным
током глубина провара на 15—20% ниже, чем при сварке постоян-
ным током обратной полярности. В этом случае полярность тока
изменяется 100 раз в секунду, что приводит к уменьшению выде-
ления теплоты на основном металле за тот период, когда он яв-
ляется анодом. При сварке постоянным током при прямой поляр-
ности ширина шва уменьшается по сравнению со сваркой постоян-
ным током обратной полярности и, следовательно, по сравнению
со сваркой переменным током. Наиболее существенно снижение
ширины шва в зависимости от полярности тока проявляется при
повышенном напряжении дуги и поэтому имеет практическое зна-
чение только при сварке под флюсом.
Уменьшение диаметра электрода при том же токе приводит
к снижению подвижности столба дуги и, как следствие, к увели-
чению глубины провара. Особенно четко влияние диаметра элек-
трода на глубину провара сказывается при сварке на небольших
токах При возрастании силы тока влияние диаметра электрода
несколько сглаживается. Ширина шва растет с увеличением диа-
метра электрода, что вызвано повышением подвижности столба
дуги.
210
Рис. 5-52.
Изменение ширины шва
в зависимости от напря-
жения дуги (ток пере-
менный)
а — 30 — 32 В,
б — 40 — 42 В,
в — 50 — 52 В
Из приведенных данных следует, что заданная глубина про-
вара может быть достигнута при уменьшении диаметра электрода
при более низкой силе тока. Однако применение электрода
малого диаметра приводит к уменьшению коэффициента формы
шва, затруднению точного направления электрода по шву (при
механизированных способах сварки) и ухудшению формы усиле-
ния.
Напряжение дуги. При дуговом процессе напряжение дуги
мало влияет на глубину провара Ширина шва связана с напряже-
нием прямой зависимостью. С увеличением напряжения дуги
в практически применяемых пределах ширина шва увеличивается.
Для иллюстрации этого положения на рис. 5-52, а, б, в приведены
зависимости между шириной шва и напряжением дуги при сварке
под флюсом Из всех элементов режима напряжение дуги оказы-
вает наибольшее влияние на ширину шва и является элементом
режима, за счет которого при механизированных способах сварки
изменяют ширину шва в желаемом направлении.
При сварке вручную покрытыми электродами напряжение
дуги изменяется в узких пределах (18—22 В) и поэтому не яв-
ляется элементом режима, за счет которого можно изменять ши-
рину шва в нужном направлении. При ручной сварке ширина
шва изменяется путем поперечного перемещения (колебания)
конца электрода.
Скорость сварки. Влияние скорости сварки на глубину погру-
жения дуги носит сложный характер. При малых скоростях
(порядка 10—12 м/ч при сварке под флюсом и 1,0—1,5 м/ч при
ручной дуговой сварке) глубина провара минимальна. Это обус-
ловлено уменьшением интенсивности вытеснения сварочной ванны
из-под основания дуги при характерном для этих случаев верти-
кальном ее расположении. У основания дуги образуется слой
жидкого металла, который препятствует проплавлению основного
металла.
Повышение скорости сварки до некоторого значения, завися-
щего от конкретных условий, приводит к увеличению глубины
провара Так, при сварке под флюсом увеличение скорости сварки
от 10 до 25 м/ч приводит к увеличению глубины провара. Даль-
нейшее увеличение скорости сварки вызывает снижение глубины
провара за счет уменьшения погонной энергии (рис. 5-53).
Ширина шва связана со скоростью сварки обратной зависи-
мостью Увеличение скорости сварки приводит к уменьшению
ширины шва, что обусловлено уменьшением подвижности дуги
14*	211
Рис. 5-53 Изменение глубины и ширины
провара в зависимости от ско-
рости сварки
при повышении скорости ее пере-
движения Указанная закономер-
ность сохраняется при всех значе-
ниях скорости сварки (рис 5-53)
Изменение скорости сварки яв-
ляется весьма эффективным сред-
ством изменения ширины шва при
всех способах дуговой сварки.
Поперечное перемещение кон-
ца электрода позволяет значи-
тельно изменять ширину шва и
глубину провара Этот метод ши-
роко применяется при ручной
сварке При увеличении ампли-
туды перемещения конца элект-
рода снижается глубина провара
и значительно увеличивается ши-
рина шва, что связано с умень-
шением концентрации источника
нагрева При механизированных
способах сварки поперечное пере-
мещение электрода также при-
водит к изменению ширины шва
и глубины проплавления. Ана-
логичные изменения формы шва
наблюдаются при сварке сдвоен-
ным электродом и электродной
лентой
При увеличении вылета электрода возрастает интенсивность
его плавления, в результате чего снижается сила тока, а следова-
тельно, и глубина провара. При сварке электродной проволокой
диаметром 3 мм и выше изменение величины вылета в пределах
± (6—8) мм, часто наблюдаемое на практике, не оказывает за-
метного влияния на формирование шва При сварке проволокой
диаметром 0,8—2 мм такие колебания вылета электрода могут
привести к некоторому изменению конфигурации шва.
Химический состав и строение флюса. Чем меньше объемная
масса флюса, тем больше объем полости, образующейся вокруг
столба дуги, и тем большей подвижностью обладает дуга
При этом ширина шва увеличивается, а глубина провара умень-
шается. Однако изменения глубины и ширины провара при при-
менении флюсов стандартных марок столь невелики, что не тре-
буют существенных изменений режима сварки и легко нивели-
руются за счет небольшой корректировки напряжения дуги.
212
Увеличение толщины электродного покрытия и введение в его
состав тугоплавких веществ, способствующих образованию на
конце электрода козырька, снижают подвижность столба дуги и,
как следствие, уменьшают ширину шва и увеличивают глубину
провара Глубина и ширина провара при сварке под флюсом
АН-348-А и в углекислом газе, при прочих равных условиях, с
достаточной для решения практических задач точностью могут
быть признаны одинаковыми.
Изменение начальной температуры. В пределах естественных
изменений, связанных со сваркой на морозе или с нагревом ме-
талла на солнце, начальная температура свариваемого изделия
(—60—|-80о С) не оказывает практического влияния на глубину
провара и ширину шва Подогрев основного металла до темпера-
туры 100—400° С приводит к незначительному увеличению глу-
бины провара и ширины шва Существенные изменения ширины
и глубины провара имеют место при температуре предваритель-
ного подогрева от 500° С и выше, причем ширина провара увели-
чивается более интенсивно, чем его глубина С предварительным
подогревом связано увеличение ширины последних слоев при
сварке многослойных швов и при наплавке
Положение электрода в пространстве. На практике сварку
ведут вертикальным электродом и с наклоном электрода вдоль
шва углом вперед или назад по отношению к направлению сварки
(рис 5-54, а, б, в) При сварке углом назад происходит более ин-
тенсивное, чем при сварке вертикальным электродом, вытеснение
металла сварочной ванны из-под основания столба дуги, что
приводит к некоторому увеличению глубины провара и умень-
шению ширины шва. Сварка с наклоном электрода углом назад
находит практическое применение главным образом при сварке
электродами для глубокого провара
При сварке с наклоном электрода углом вперед столб дуги
стремится занять положение, совпадающее с осью электрода
При этом столб дуги большей своей частью располагается над
поверхностью основного металла. Давление столба на поверх-
ность сварочной ванны уменьшается, что приводит к заметному
уменьшению глубины провара и увеличению ширины шва по
сравнению со сваркой вертикальным электродом. Сварка элек-
тродом с наклоном углом вперед применяется для повышения
Рис 5-54.
Положение электрода при
сварке
а — вертикальное
б — углом вперед
в — углом назад Направ
ление сварки указано
стрелкой
213
скорости сварки при одно- и многодуговой автоматической сварке
под флюсом.
Наклон изделия относительно горизонтальной плоскости.
При сварке сверху вниз (на спуск) разность уровней расплавлен-
ного металла в головной и задней частях плавильного простран-
ства уменьшается, несмотря на неизменное давление, оказываемое
столбом дуги. Это приводит к увеличению толщины слоя жидкого
металла, расположенного под основанием дуги, и к уменьшению
глубины провара. Блуждание дуги по поверхности сварочной
ванны при этом усиливается, что приводит к увеличению ширины
шва. Поэтому при сварке на спуск уменьшается глубина провара
и увеличивается ширина шва.
При сварке снизу вверх (на подъем) разница уровней расплав-
ленного металла в головной и задней частях плавильного простран-
ства увеличивается, а толщина слоя жидкого металла под основа-
нием столба дуги уменьшается. При этом происходит более глубо-
кое проплавление основного металла, т. е. глубина провара не-
сколько увеличивается. Ширина шва при уменьшении блуждания
столба дуги заметно уменьшается.
Нормальное, характерное для сварки в нижнем положении
формирование шва достигается при механизированной сварке
для угла наклона не более 3—4° и при ручной сварке покрытыми
электродами не более 8—10°. При больших углах наклона на-
рушается нормальное формирование шва из-за подтекания
жидкого металла под основание дуги при сварке на спуск и из-за
непроваров и подрезов по кромкам при сварке на подъем.
Изменение формы шва путем сварки на спуск или на подъем
мало применяется из-за сложности установки изделия под сварку
и небольшой эффективности. Практическое применение сварка
на спуск находит при выполнении круговых швов труб и сосудов
малого диаметра. В этом случае электрод смещается от зенита
с таким расчетом, чтобы сварка велась на спуск. При этом умень-
шается опасность прожогов, улучшается формирование шва и
предотвращается возможность стекания жидкого металла свароч-
ной ванны. Сварку на подъем применяют для увеличения глубины
проплавления при ручной сварке с глубоким проваром.
При дуговой сварке и наплавке значение коэффициента формы
шва может изменяться от 0,8 до 20. Все изменения элементов
режима, вызывающие уменьшение ширины шва и увеличение
глубины провара, вызывают уменьшение, а все изменения эле-
ментов режима, увеличивающие ширину шва и уменьшающие
глубину провара,— увеличение коэффициента формы шва.
Увеличение силы тока приводит к резкому возрастанию глу-
бины провара и практически не отражается на ширине шва, а
следовательно, приводит к снижению коэффициента формы шва.
Увеличение скорости сварки уменьшает ширину шва и суще-
ственно не влияет на глубину провара. Следовательно, увеличение
скорости сварки приводит к уменьшению коэффициента формы
214
шва, а уменьшение скорости сварки — к повышению его значе-
ния. Увеличение напряжения дуги приводит к заметному увели-
чению ширины провара, к незначительному изменению глубины
провара и, как следствие, к увеличению коэффициента формы
шва. Уменьшение диаметра электрода или сварочной проволоки
приводит к возрастанию глубины провара и уменьшению ширины
шва, а следовательно, к довольно резкому уменьшению коэффи-
циента формы шва. Наклон электрода углом вперед увеличивает
коэффициент формы шва вследствие увеличения ширины шва
и уменьшения глубины проплавления.
На значение коэффициента формы шва оказывают влияние
и другие элементы сварочного режима, однако они сказываются
в значительно меньшей степени, чем перечисленные выше.
При сварке стыковых однослойных швов, всех слоев много-
слойного шва, кроме первого и второго, и при наплавочных работах
коэффициент формы шва можно изменять в желаемых пределах
(рис. 5-55, а, б). При сварке угловых однослойных швов и первого
слоя многослойных угловых или стыковых швов коэффициент
формы шва или слоя, при котором обеспечивается удовлетвори-
тельное формирование, определяется геометрией соединения и
может изменяться в весьма узких пределах (рис. 5-55, в, г). Уве-
личение его значения выше определенной величины приводит
в этих условиях к подрезу кромок или к непровару притупления.
Коэффициент формы шва при сварке угловых швов и первого
слоя многослойного шва должен находиться в пределах 1,4—2,3.
Ограниченные возможности увеличения коэффициента формы шва
в значительной степени определяют трудность обеспечения стой-
кости металла этих швов против кристаллизационных трещин,
особенно при сварке основного металла с повышенным содержа-
нием углерода.
Рис. 5-55. Изменение формы провара для швов различного типа:
а — стыковой однослойный шов и все слои многослойного стыкового шва,
кроме первого и второго;
б — валики при наплавке,
в — первый слой многослойных стыковых швов;
г — угловой однослойный шов и первый слой углового многослойного шва
215
Нормальная форма поверхности шва обеспечивается при коэф-
фициенте формы усиления более 5. При меньшем значении этого
коэффициента не достигается плавности перехода от металла шва
к основному металлу. Все изменения режима, уменьшающие
ширину шва и увеличивающие количество вводимого в шов элек-
тродного металла (это прежде всего увеличение силы тока, умень-
шение диаметра электрода и напряжения дуги), приводят к умень-
шению коэффициента формы усиления (табл. 5-3).
Влияние режима на размеры и форму шва при электрошлаковой
сварке. Размеры и форма металлической ванны при электрошла-
ковой сварке характеризуются шириной шва Ь, глубиной метал-
лической ванны h и отношением ширины шва и глубины металли-
ческой ванны, так называемым коэффициентом формы металли-
ческой ванны Ф = (рис. 5-56). В зависимости от режима
сварки ширина шва и глубина металлической ванны, а следо-
вательно, и коэффициент формы могут несколько изменяться по
длине сварочной ванны. Однако при правильном выборе режима
сварки ширина шва изменяется мало. Глубина металлической
ванны может претерпевать более значительные изменения, но,
как правило, достигает максимума посредине (по толщине ме-
талла). В дальнейшем изложении под шириной шва, глубиной
металлической ванны и ее коэффициентом формы мы будем при-
нимать значения этих величин по середине шва.
Форма и размеры металлической ванны оказывают существен-
ное влияние на качество сварного соединения и определяются
режимом сварки. Режим электрошлаковой сварки характери-
зуется величиной тока (или скоростью подачи электрода), напря-
жением сварки, скоростью сварки и толщиной металла, прихо-
дящейся на электрод (частное от деления толщины свариваемого
металла на число электродов). На процессе формирования могут
сказаться величина зазора, состав флюса, глубина шлаковой
ванны, скорость поперечного перемещения электрода, вылет и
диаметр сварочной проволоки. Обычно эти параметры режима
изменяются мало.
При сварке электродной проволокой глубина шлаковой ванны
в зависимости от силы тока составляет 25—70 мм, скорость попе-
речного перемещения 30—40 м/ч, сухой вылет электрода 60—70 мм
и диаметр электрода 4—2 мм. Такие колебания не приводят к изме-
нениям условий формирования шва. Более значительные откло-
нения указанных параметров, вызванные нарушением режима
сварки, могут привести к изменению формы и размеров шва.
При электрошлаковой сварке одной электродной проволокой
глубина металлической ванны и ширина шва зависят от всех
элементов режима. Наибольшее влияние на этот параметр оказы-
вает величина тока. С увеличением силы тока глубина металли-
ческой ванны увеличивается. Это, вероятно, обусловлено изме-
нением погонной энергии сварки. Ток является тем элементом
216
217
Таблица 5-3
Влияние элементов режима дуговой сварки на размеры, форму и состав шва
Параметр	Изменение параметра при увеличении						
	силы тока	диаметра электрода	"д’ в		°св- М/ч		
			24-34	36—46	до 17	17-40	свыше 40
Глубина провара	Интенсивно увеличивается	Уменьшается	Незначительно увеличивается	Незначительно уменьшается	Несколько увеличи- вается	Практически не изменяется	Умень- шается
Ширина шва	Незначительно увеличивается	Увеличивается	Увеличивается	Интенсивно увеличивается		Уменьшается	
Высота усиления	Интенсивно увеличивается	Уменьшается	Уменьшается		Незначительно увеличивается		
Коэффициент формы шва	Интенсивно уменьшается	Увеличивается	Интенсивно увеличивается		Незначительно уменьшается		
Коэффициент формы усиления	То же	»	Увеличивается			Уменьшается	
Доля основ- ного металла в металле шва (для однослой- ных швов)	Интенсивно увеличивается	Уменьшается	Незначительно	увеличивается	Интенсивно увеличивается		
Примечание. Влияние отдельных элементов режима сварки на размеры, форму и состав шва оценивали при условии неиз-
менности остальных элементов режима
Рис 5-56. Основные параметры металлической
ванны при электрошлаковой сварке
режима, за счет которого в сварочной
практике изменяют в желаемом направ-
лении глубину металлической ванны.
На ширину шва величина тока влияет
мало.
Увеличение напряжения при элект-
рошлаковой сварке приводит к увели-
чению глубины металлической ванны
в связи с повышением погонной энер-
гии. С ростом напряжения в применяе-
мых пределах ширина шва также увеличивается. На практике
ширину шва изменяют в желаемом направлении путем изменения
напряжения сварки.
При электрошлаковой сварке шов формируется в основном
из дополнительного металла. Для заполнения зазора между
свариваемыми кромками необходимо ввести строго определенное
количество дополнительного металла. Поэтому увеличение ско-
рости сварки достигается за счет повышения силы тока (скорости
подачи сварочной проволоки) или увеличения числа электродов
и всегда приводит к увеличению глубины металлической ванны.
Изменение ширины шва в зависимости от скорости подачи сва-
рочной проволоки (следовательно, и скорости сварки) имеет более
сложный характер. Увеличение скорости сварки сначала приво-
дит к увеличению ширины шва, а затем к снижению ее.
Увеличение толщины свариваемого металла, приходящейся
на один электрод, приводит к уменьшению ширины шва и глубины
металлической ванны, что связано с изменением погонной энергии.
Электропроводность флюса заметно влияет на глубину метал-
лической ванны и ширину шва. Снижение электропроводности
флюса, при прочих равных условиях, приводит к росту глубины
металлической ванны и ширины шва в результате увеличения
теплоты, выделяемой в ванне.
Коэффициент формы металлической ванны находится в обрат-
ной зависимости от величины тока и скорости сварки и в прямой
зависимости от напряжения на электродах и толщины металла,
приходящейся на электрод Общие данные о характере влияния
элементов режима сварки на размеры и форму шва при электро-
шлаковой сварке приведены в табл 5-4
Сварка двумя и более сварочными проволоками и электродной
пластиной имеет свои особенности Однако общие закономерности
остаются теми же, что при сварке одной сварочной проволокой.
Для повышения производительности электрошлаковой сварки про-
цесс стремятся вести при минимальном зазоре между свариваемыми
кромками. В металлическую ванну вводят дополнительный металл
(порошок, крупку и др.) и увеличивают коэффициент наплавки.
218
Таблица 5-4
Влияние элементов режима электрошлаковой сварки на форму и состав шва
Параметр	Изменение параметра при увеличении							
	величины тока		толщина металла иа электрод	напряжен ия сварки	скорости поперечного перемещения электродной про волоки	глубины шлаковой ванны	величины сухого вылета электрода	величины зазора
	до 400 А	более 400 А						
Глубина металлической ванны	Увеличивается	Уве- личи- вается	Умень- шается	Незначи- тельно увеличи- вается	Не изменяется	Незначи- тельно умень- шается	Умень- шается	Не изме- няется
Ширина шва	»	Умень- шается	Незначи- тельно умень- шается	Увеличи- вается	Уменьшается	Умень- шается	Не изме- няется	Увеличи- вается
Коэффициент формы металлической ванны	Незначительно уменьшается	То же	Увеличи- вается	То же		То же	Незначи- тельно увеличи- вается	То же
Доля основ- ного металла в металле шва	Незначительно увеличивается	»	Незначи- тельно умень- шается	»	»	»	Не изме- няется	»
Зависимость между режимом сварки и составом шва при ду-
говой и электрошлаковой сварке. При сварке неплавящимся элек-
тродом без присадочного металла шов полностью состоит из рас-
плавленного основного металла. При сварке плавящимся элек-
тродом или неплавящимся электродом с присадочным металлом
металл шва представляет собой сплав основного и дополнительного
(электродного или присадочного) металлов. Состав шва опреде-
ляется долями участия того и другого металла в металле шва,
зависящими от режима сварки, характера подготовки кромок
и изменений, происходящих в составе шва при взаимодействии
электродного металла и металла сварочной ванны с газами и
шлаком. Долю участия основного и дополнительного металлов
определяют обычно по поперечному макрошлифу. При дуговой
однослойной сварке долю участия дополнительного металла
определяют по формуле
доп________^’доп
FШ	Л, “Ь Fдоп *
(5-2)
где Ffton-—площадь сечения части шва, образовавшейся за счет
электродного и присадочного металла; Fm — общая площадь
сечения шва; Fo — площадь сечения части шва, образовавшейся
за счет расплавления основного металла.
При ручной сварке Fflon определяется как сумма площадей
разделки или зазора и усиления шва. При механизированной
сварке с постоянной скоростью подачи сварочной проволоки Fnon
определяют по формуле
Р =р Г д0п
д°п пр VcB
где Fnp — площадь сечения сварочной проволоки; г'эл — скорость
подачи сварочной проволоки; осв— скорость сварки.
Общая площадь сечения шва определяется путем замера ее
планиметром или подсчета площади фигуры по очертаниям, при-
ближающимся к очертаниям провара.
При дуговой сварке многослойных швов для определения
доли дополнительного металла обычно пользуются формулой
(5-2), хотя она и не отражает действительного положения, так
как в этом случае кроме основного и дополнительного металлов
имеется еще и металл нижележащих слоев, который по своему
составу отличается и от основного, и от дополнительного металлов.
При электрошлаковой сварке долю электродного металла
в металле шва уэл с достаточной для практики точностью опре-
деляют по формуле
.. __ Fan   sa __ а
Уэл	Fm	sb b ’
где s—толщина основного металла; а—ширина зазора; b —
ширина шва.
220
Долю участия основного металла в меГалДе intel уо Арй ббёх
методах сварки определяют по формуле
То' ’ 1 Тдоп-
Доля участия основного металла при используемых режимах
сварки плавящимся электродом составляет 15—80%. Меньшая
цифра относится к вибродуговой наплавке, а большая — к сварке
на больших скоростях под флюсом. Доля участия основного и
электродного металлов в металле однопроходного шва зависит от
элементов режима сварки.
При дуговой сварке повышение силы тока приводит к увели-
чению количества расплавляемого основного металла и вводимого
в шов электродного металла, при этом количество расплавляе-
мого основного металла растет более интенсивно, что приводит
к увеличению доли основного металла в металле шва. При элек-
трошлаковой сварке повышение силы тока всегда сопровождается
увеличением скорости сварки, что приводит к уменьшению ши-
рины провара и снижению доли основного металла в металле шва.
Увеличение напряжения дуги и напряжения сварки приводит
к незначительному уменьшению количества вводимого в шов
электродного металла (за счет снижения коэффициента наплавки)
и к увеличению количества расплавляемого основного металла.
Следовательно, увеличение напряжения приводит к повышению,
а уменьшение — к снижению доли основного металла в металле
шва.
Увеличение скорости при дуговой сварке приводит к умень-
шению количества вводимого в шов электродного и расплавляе-
мого основного металлов. Количество электродного металла сни-
жается более интенсивно, чем количество расплавляемого основ-
ного металла, поэтому доля основного металла в металле шва
с увеличением скорости сварки увеличивается. При электрошла-
ковой сварке наблюдается обратная зависимость.
Увеличение диаметра электрода приводит к снижению доли
основного металла в металле шва.
Состав сварочной проволоки оказывает существенное влияние
на величину коэффициента плавления электрода. Так, высоко-
легированная проволока обладает более высоким коэффициентом
плавления, чем низкоуглеродистая. Низкоуглеродистая прово-
лока, содержащая кремний, имеет несколько более высокий коэф-
фициент плавления, чем такая же проволока без кремния. Уве-
личение коэффициента плавления проволоки приводит к неко-
торому возрастанию доли электродного металла в металле шва.
Тип шва и характер подготовки кромок оказывают существен-
ное влияние на долю участия основного металла в металле шва.
Характер этого влияния ясен из схемы, приведенной на рис. 5-23.
При наплавке валика или сварке стыкового шва без разделки
кромок электродный металл используется только для создания
усиления. Наличие обязательного зазора или разделки кромок
221
при сварке стыковых или угловых швов Приводит к тому, что
электродный металл расходуется на образование расчетного
сечения шва и располагается на месте удаленного в процессе
разделки кромок основного металла. В результате доля основ-
ного металла в металле шва снижается.
При сварке постоянным током прямой полярности несколько
уменьшается глубина провара основного металла и увеличивается
коэффициент плавления электродного металла. Это приводит
к заметному снижению доли основного металла в металле угло-
вого шва и в наплавке по сравнению со сваркой переменным
током или постоянным током обратной полярности.
Во многих случаях приобретает первостепенный интерес умень-
шение доли основного металла в металле шва. Это важно при
сварке основного металла, содержащего повышенные количества
элементов, снижающих стойкость металла шва против кристал-
лизационных трещин и ухудшающих другие свойства металла
шва (стойкость против перехода в хрупкое состояние, коррозион-
ную стойкость). Особенно это относится к сварке под флюсом,
где доля основного металла в металле шва при типичных режимах
достигает 70%. Для снижения доли основного металла в метал-
ле шва кроме изменения в желаемом направлении перечислен-
ных выше элементов режима прибегают также к многослойной
сварке (вместо однослойной), сварке двумя дугами, сварке по при-
садочной проволоке, сварке с наполнителями и другим техно-
логическим приемам.
Выбор режима сварки. Элементы режима сварки оказывают
существенное влияние на форму и состав шва, и путем изменения(
их значения можно достичь желаемого результата при различном
их сочетании. Основная задача, возникающая перед технологом
при выборе режима сварки, сводится к определению такого соче-
тания элементов режима, при котором обеспечивается требуемое
качество сварного соединения при максимальной производитель-
ности и минимальной стоимости процесса.
Для данного способа сварки, марки основного металла и типа
шва существует оптимальный режим, который в зависимости от
конкретных условий может изменяться только в узких пределах.
При разработке технологии оптимальный режим подбирают экс-
периментальным путем или путем расчета на основе приведенных
выше уравнений распространения теплоты при сварке. Если
из-за отсутствия источников питания необходимой мощности,
плохой подготовки под сварку, отсутствия электродов нужного
диаметра и других технических причин нельзя применить опти-
мальный режим сварки, то приемлемый для данных условий ре-
жим выбирают опытным путем.
Дефекты сварных
соединений
§ 6-1. Типичные дефекты
и их классификация
Качество сварных соединений в значительной мере
определяет эксплуатационную надежность и эко-
номичность конструкций. Наличие в сварных соеди-
нениях дефектов — отклонений от заданных свойств,
формы и сплошности шва, свойств и сплошности
околошовной зоны может привести к нарушению
герметичности, прочности и других эксплуатацион-
ных характеристик изделия, а при некоторых обстоя-
тельствах вызвать аварию его в процессе изготовле-
ния, монтажа или работы. В реальных условиях
производства дефекты возникают достаточно часто.
Количество их — объективный показатель рацио-
нальности принятого технологического процесса,
пригодности и кондиции используемых сварочных
материалов и основного металла, квалификации
кадров, наличия необходимого комфорта для работы
сварщиков, оптимальности и технического состоя-
ния оборудования и оснастки и общей культуры
производства, характерной для данного предприя-
тия.
Работы по контролю качества изделия, выявле-
нию и устранению дефектов трудоемки и существенно
влияют на стоимость продукции. Снижение вероят-
ности образования дефектов даже за счет увеличения
затрат на вспомогательные и основные технологи-
ческие операции экономически целесообразно. Ме-
тоды контроля качества сварных соединений весьма
разнообразны (см. гл. 14). Задача контроля качества
все более сводится к предупреждению возникнове-
ния, а не к обнаружению уже имеющихся дефектов.
Дефекты, появляющиеся в сварных соединениях,
различаются по месту расположения (наружные и
внутренние) и причинам возникновения. В зависи-
223
мости от причин возникновения их можно разделить на две
группы. К первой группе относятся дефекты, связанные с метал-
лургическими, термическими и гидродинамическими явлениями,
происходящими в процессе образования, формирования и кри-
сталлизации сварочной ванны и остывания сварного соединения.
Это кристаллизационные и холодные трещины в металле шва и
околошовной зоне, поры, шлаковые каналы, флокены, зона не-
силавления, утяжины, отклонения от необходимых прочностных
и пластических свойств металла шва и сварного соединения,
а также неблагоприятные изменения свойств металла околошов-
ной зоны.
Ко второй группе дефектов, которую назовем дефектами фор-
мирования швов, относятся непровары, подрезы, наплывы, про-
жоги, кратеры, несимметричность расположения угловых швов,
уменьшение размеров швов и др. Возникновение подобных де-
фектов обычно обусловлено неправильным технологическим про-
цессом, нарушением режима сварки, неисправностью оборудова-
ния, низкой квалификацией рабочих, плохой подготовкой и сбор-
кой под сварку элементов конструкции, неточным расположением
конца электрода по отношению к свариваемым кромкам, недо-
ступностью места сварки и возникающим из-за этого неудобством
выполнения сварочных манипуляций, а также другими причи-
нами, связанными с культурой производства.
В процессе изготовления сварных конструкций наблюдаются
изменение формы отдельных элементов или всей конструкции
и отступления от предусмотренных проектом размеров. Эти откло-
нения, являющиеся также дефектами, вызваны деформацией
(короблением) изделия и усадкой швов (см. гл. 4).
§ 6-2. Кристаллизационные трещины
в металле шва
Кристаллизационными трещинами называют макро-
скопические и микроскопическиенесплошности, имеющие характер
надреза и зарождающиеся в процессе первичной кристаллизации
металла шва. Эти трещины могут затем развиваться при остыва-
нии металла в твердом состоянии. Характерной особенностью
кристаллизационных трещин является межкристаллический вид
разрушения. Они тесно связаны с первичной структурой металла
шва и расположены вдоль направления роста столбчатых кристал-
литов.
В зависимости от ориентации по отношению к оси шва кри-
сталлизационные трещины бывают продольными и поперечными
(рис. 6-1, а, б). Продольные трещины могут располагаться по
оси шва в месте стыка столбчатых кристаллитов или между со-
седними кристаллитами, поперечные трещины — между сосед-
ними кристаллитами. Иногда наблюдаются дефекты, являющиеся
комбинацией продольных и поперечных трещин (рис. 6-1, в).
224
Рис. 6-1. Кристаллизационные трещины в металле шва
а — продольная,
б — поперечная
в — продольная н поперечные
При дуговой сварке кристаллизационные трещины выходят
(рис. 6-2, а) или не выходят (рис. 6-2, б) на поверхность шва.
При электрошлаковой сварке трещины образуются, как правило,
в середине сечения шва и не выходят на его поверхность (рис. 6-3,
а, б). Поверхности трещин, выходящих наружу шва, обычно окра-
шены в цвета побежалости, так как покрыты тонкой пленкой
окислов (рис. 6-4, а). Поверхность не выходящих наружу трещин
имеет серо-белый цвет без металлического блеска (рис. 6-4, б),
что обусловлено отсутствием окисляющего действия воздуха на
металл.
Трещины, выходящие на поверхность шва, обнаруживаются
при внешнем осмотре и с помощью магнитного порошка. Трещины,
не выходящие на поверхность шва, обнаруживаются просвечива-
нием швов рентгеновскими или гамма-лучами, проверкой швов
ультразвуком, при разрушении шва по его излому или по макро-
и микрошлифам.
Трещины в подавляющем большинстве случаев являются
недопустимым дефектом, так как могут послужить причиной
(очагом) хрупкого, усталостного и коррозионного разрушения кон-
струкции или детали в процессе изготовления, а также эксплуа-
тации. Кристаллизационные трещины являются одним из основ-
ных видов брака при сварке.
Процесс образования кристаллизационных трещин может
быть описан такой схемой. При затвердевании металл шва про-
ходит через так называемый эффективный интервал кристалли-
зации, в котором металл находится в твердо-жидком состоянии,
J(5 Заказ № 7§2	225
Рис. 6-2. Расположение кристаллизационной трещины по сечению шва (ду-
говая сварка):
а — трещина, выходящая на поверхность шва,
б — трещина, не выходящая на поверхность шва
Этот интервал начинается с переплетения и срастания дендритов
в жесткий каркас и заканчивается полным затвердеванием ме-
талла. Твердо-жидкое состояние металла характеризуется повы-
шенной хрупкостью, в связи с чем эффективный интервал кристал-
лизации называют также температурным интервалом хрупкости-
При переходе через нижний предел интервала хрупкости (тем-
пература реального солидуса) пластические свойства металла
Рис. 6-3. Расположение кристаллизационных трещин (электрошлаковая сварка)
а — по осн шва,	б — между ветвями столбчатых кристаллов
226
Рис, 6-4. Кристаллизационные трещины в изломе шва
а — трещины, выходящие на поверхность шва,
б — трещины, ие выходящие на поверхность шва
резко улучшаются. Величина температурного интервала хрупко-
сти определяется химическим составом металла шва.
Затвердевание металла шва происходит в условиях воздей-
ствия растягивающих напряжений, возникающих в результате
неравномерного нагрева и охлаждения свариваемого металла,
жесткого закрепления деталей и затрудненного сокращения ме-
талла шва. Наличие растягивающих напряжений вызывает пла-
стическую деформацию металла шва, причем интенсивность ее
нарастания увеличивается со снижением температуры. Если
в период пребывания металла шва в состоянии пониженной пла-
стичности (в температурном интервале хрупкости) величина де-
формации превысит пластичность металла, произойдет разделение
кристаллитов, т. е. образование трещин. Если пластическая де-
формация, которую претерпевает металл во время пребывания
в температурном интервале хрупкости, не превзойдет величины
15*	227
Ьластичности самого металла, то кристаллизационные трещины
не образуются.
Таким образом, стойкость металла шва против кристаллиза-
ционных трещин определяется рядом взаимосвязанных факторов.
Основными из них являются величина температурного интервала
хрупкости (чем шире этот интервал, тем больше вероятность обра-
зования трещин), пластичность металла в этом интервале и интен-
сивность нарастания пластических деформаций по мере снижения
температуры металла (темп деформации).
При разработке технологии сварки принимают, что стойкость
металла шва против кристаллизационных трещин (технологиче-
ская прочность металла шва) зависит от следующих факторов:
величины и скорости нарастания действующих в процессе кристал-
лизации металла шва растягивающих напряжений; химического
состава металла шва, определяющего свойства его в период кри-
сталлизации и длительность пребывания в состоянии, характе-
ризуемом пониженной пластичностью, формы сварочной ванны,
определяющей направление роста столбчатых кристаллитов, ха-
рактер их смыкания между собой, расположение межкристаллит-
ных участков по отношению к растягивающим напряжениям и
характер изменения пластической деформации; величины первич-
ных кристаллитов.
Влияние растягивающих напряжений. В реальных условиях
сварки практически невозможно полностью устранить влияние
растягивающих напряжений на кристаллизующийся металл сва-
рочной ванны. Поэтому задача сводится к уменьшению величины
этих напряжений, к отдалению момента возрастания их до зна-
чения, которое может вызвать пластическую деформацию металла
шва, приводящую к его разрушению. Это может быть достигнуто
путем рационального конструирования узлов и элементов, умень-
шения количества и сосредоточения швов, выбора оптимальной
формы разделки кромок, устранения излишней жесткости узлов
и других мер.
Уменьшение влияния растягивающих напряжений за счет
технологических мер достигается путем предварительного подо-
грева, рационального порядка наложения швов и выбора способов
и режимов сварки, обеспечивающих минимальную величину этих
напряжений. Положительное влияние подогрева обусловлено
отдалением момента возникновения растягивающих напряжений
и снижением скорости их нарастания в период, когда металл шва
обладает пониженной пластичностью.
Предварительный подогрев является весьма эффективной ме-
рой повышения стойкости металла шва против кристаллизацион-
ных трещин при сварке конструкционных и других сталей. Тем-
пература предварительного подогрева, при которой не наблю-
дается образования трещин, зависит от химического состава ме-
талла шва, конструкции и сечения деталей, а также других фак-
торов и обычно изменяется в пределах 150—500° С. Для иллю-
228
Рис. 6-5. Зависимость межДу критическим
содержанием углерода в метал-
ле шва и температурой подо-
грева, коэффициент формы про-
вара равен 4 (Е. И. Лейначук)
страции сказанного на рис. 6-5
приведена зависимость между зна-
чением температуры подогрева и
критическим содержанием углеро-
да в металле шва.
При рациональном порядке на-
ложения швов возможна сварка
деталей с оптимальным их закреп-
лением, что приводит к снижению растягивающих напряжений.
На практике достаточно часто, особенно при сварке под флюсом
низколегированных и среднелегированных сталей, наблюдается
образование трещин в участках шва, непосредственно прилегаю-
щих к сборочным прихваткам, и у планок, служащих для вы-
вода начала и конца шва за пределы соединения (рис. 6-6).
При расплавлении сборочной прихватки зазор между свари-
ваемыми кромками стремится увеличиться, в результате чего соз-
даются значительные растягивающие напряжения. Эти напряже-
ния и приводят в некоторых случаях к образованию трещин
в неуспевшем закристаллизоваться участке шва. Для устранения
этого рекомендуется ставить прихватки со стороны, обратной
наложению первого слоя (при двусторонней сварке), или умень-
шать расстояние между прихватками.
Образование трещин в начале и конце шва обусловлено тем,
что нежесткие выводные пленки не могут удержать концы листов
Рис. 6-6. Продольная трещина у выводной планки
229
соблении или увеличение
Рис. 6-7. Образование трещин в зависимо-
сти от содержания серы, марганца
и углерода в металле углового
шва. Поля диаграммы выше кри-
вых соответствуют наличию, ни-
же — отсутствию трещин. Коэф-
фициент формы шва равен 1,5
от расхождения. Радикальной мерой
предотвращения таких трещин яв-
ляется надежное закрепление кон-
цов свариваемых деталей в приспо-
жесткости выводных планок.
Влияние химического состава металла шва. Химический состав
металла шва оказывает первостепенное влияние на его стойкость
против кристаллизационных трещин. Все элементы, входящие
в состав металла шва, условно могут быть отнесены к трем основ-
ным группам.
Первая группа — элементы, присутствие которых снижает
стойкость металла шва против кристаллизационных трещин.
Такие элементы принято называть вредными. Вторая группа —
элементы, которые в зависимости от их сочетания и концентрации
оказывают положительное (полезные примеси) или отрицательное
(вредные примеси) влияние на стойкость металла шва против
кристаллизационных трещин.
Третья группа — элементы, присутствие которых не оказы-
вает влияния на стойкость металла шва против кристаллизацион-
ных трещин.
Сера — вредная примесь. Повышение содержания серы в
металле шва резко снижает его стойкость против кристаллизаци-
онных трещин. Сера практически нерастворима в твердом же-
лезе, а поэтому находится в швах на стали в виде неметалличе-
ских сульфидных включений. Непосредственной причиной обра-
зования кристаллизационных трещин от серы являются легко-
плавкие сульфидные прослойки, располагающиеся по границам
кристаллитов металла шва. Критическое содержание серы в шве,—•
т. е. ее содержание, выше которого наблюдается образование
трещин, зависит от величины растягивающих напряжений, формы
шва и его химического состава.
Для швов на углеродистых сталях наибольшее влияние на
образование трещин кроме серы оказывают также углерод и мар-
ганец. На рис. 6-7 представлена зависимость между критическим
содержанием серы и содержанием углерода и марганца в металле
шва.
Все остальные факторы, определяющие стойкость металла
шва против кристаллизационных трещин, подразумеваются по-
стоянными. Приведенные данные свидетельствуют о том, что сни-
жение содержания углерода приводит к снижению вредного влия-
230
ния серы (критическое содержание серы повышается). Марганец
в определенных пределах снижает вредное действие серы.
Сера переходит в металл шва из основного и дополнительного
(присадочного) металлов и из материалов, входящих в состав
электродного покрытия или флюса. Согласно действующим стан-
дартам содержание серы в конструкционных сталях не должно
превышать 0,05%, а обычно составляет 0,03—0,04%. Снижение
содержания серы в стали в сравнении с этими количествами воз-
можно, но связано с повышением стоимости выплавки стали.
Из экономических соображений целесообразнее снижать со-
держание серы в сварочных материалах, в частности в сварочной
проволоке. ГОСТ 2246—70 ограничивает содержание серы в низко-
углеродистой и легированной сварочной проволоке в пределах
0,04—0,02%. В некоторых марках высоколегированной проволоки
это ограничение составляет 0,015%. Жестко ограничено содержа-
ние серы в электродных покрытиях и сварочных флюсах. Значи-
тельный практический интерес представляет обессеривание сва-
рочной ванны за счет применения специальных флюсов и покры-
тий, при которых достигается переход серы из металла сварочной
ванны в шлак.
Фосфор часто оказывает вредное влияние на стойкость металла
шва против кристаллизационных трещин и приводит к резкому
снижению ударной вязкости металла, особенно при пониженных
температурах. Интенсивность влияния фосфора на образование
кристаллизационных трещин пропорциональна содержанию легко-
плавких фосфорсодержащих включений на границах кристалли-
тов металла шва. Возможность образования таких включений тем
больше, чем выше концентрация фосфора и ниже его раствори-
мость в твердом металле.
Так как растворимость фосфора в аустените меньше, чем
в феррите, опасность образования кристаллизационных трещин
от фосфора значительно больше в аустенитных швах. Наиболее
Опасен фосфор для швов с чисто аустенитной структурой. Если же
на ранних стадиях кристаллизации металла шва кроме аустенита
образуется и феррит, опасность образования трещин значительно
уменьшается, так как большая часть фосфора растворяется в ме-
талле. Фосфор является потенциальной причиной кристаллиза-
ционных трещин и в швах на некоторых среднелегированных
сталях.
Влияние фосфора и серы на образование кристаллизационных
трещин взаимно усиливается тем, что места ликвации этих эле-
ментов в металле шва совпадают. Углерод также усиливает вред-
ное влияниефосфора. При обычных концентрациях фосфор в низко-
углеродистых и низколегированных швах кристаллизационных
трещин не вызывает.
Фосфор попадает в металл шва из основного и электродного
металлов и из материалов, входящих в состав покрытий и флюсов.
В конструкционных углеродистых сталях содержание фосфора
23J
допускается не более 0,055%, а в легированных сталях— не
более 0,03%. Согласно ГОСТ 2246—70 содержание фосфора в сва-
рочной проволоке не должно превышать 0,04%. В электродное
покрытие и флюс фосфор попадает в основном с марганцевой рудой.
У глерод является важнейшим элементом, определяющим струк-
туру и свойства металла шва, его прочность и поведение при экс-
плуатации. Вместе с тем углерод оказывает резко отрицательное
влияние на стойкость металла шва против кристаллизационных
трещин. В швах на углеродистых и низколегированных сталях
углерод усиливает вредное действие серы. При сварке высоко-
легированных сталей углерод способствует образованию по гра-
ницам кристаллитов легкоплавких пленок карбидного происхо-
ждения, что снижает стойкость швов против кристаллизационных
трещин. Критическое содержание углерода зависит от конструк-
ции узла, наличия или отсутствия предварительного подогрева,
формы шва и содержания в нем других элементов, в первую оче-
редь серы (см. рис. 6-7).
Углерод попадает в металл шва из основного и электродного
или присадочного металлов. Чтобы снизить содержание углерода
в металле шва, применяют сварочную проволоку и электродные
стержни с низким содержанием углерода, уменьшают долю основ-
ного металла в шве. За счет взаимодействия металла с газовой
и шлаковой фазами может происходить окисление (угар) угле-
рода, что также снижает его содержание в шве.
Так как углерод является наиболее дешевым и недефицитным
элементом, повышающим прочность металла шва, задача рацио-
нальной технологии сварки должна заключаться в сохранении
в металле шва возможно более высокого количества углерода,
еще не вызывающего снижения стойкости против трещин.
Кремний способствует образованию кристаллизационных тре-
щин в швах на углеродистых сталях. Однако его вредное действие
в этом отношении значительно слабее, чем углерода. В чисто
аустенитных хромоникелевых швах кремний более опасен в отно-
шении образования кристаллизационных трещин, чем в швах
углеродистой стали. Это обусловлено выделением на границах
кристаллитов пленок силицидов и других легкоплавких неметал-
лических соединений. Появление ферритной составляющей в струк-
туре аустенитных швов повышае! их стойкость против образова-
ния трещин.
Кремний переходит в шов из основного и дополнительного
металла и за счет восстановления его из электродного покрытия
или флюса. Рациональная технология сварки должна обеспечи
вать присутствие в шве кремния в количестве, повышающем стой-
кость его против пор (см. ниже), но не вызывающем снижения
стойкости против образования трещин. Растворяясь в феррите,
кремний повышает его прочность, что весьма желательно. Опти-
мальное содержание кремния зависит от способа сварки, типа
шва и состава основного металла и при сварке углеродистых ц
83?
низколегированных конструкционных сталей колеблется в пре-
делах 0,15—0,6%.
Никель при небольших концентрациях в металле шва не
оказывает влияния на стойкость его против возникновения кри-
сталлизационных трещин. При высоких концентрациях (свыше
1—2%) никель усиливает вредное влияние серы, способствуя
этим образованию кристаллизационных трещин. Это влияние
никеля обусловлено образованием легкоплавких включений суль-
фида никеля.
Никель является ценным легирующим элементом. Растворяясь
в феррите, он повышает прочность и ударную вязкость металла
шва при обычных и пониженных температурах при сохранении
высокой пластичности. Однако ввиду сравнительно высокой стои-
мости никель применяют лишь там, где замена его другим, более
дешевым элементом, не дает нужного эффекта. При сварке угле-
родистых и низколегированных конструкционных сталей никель
попадает в шов из основного и дополнительного металлов в коли-
чествах, не оказывающих отрицательного влияния на стойкость
металла шва против образования трещин.
Марганец уменьшает вредное влияние серы, повышая стой-
кость шва на углеродистых, низколегированных и хромоникелевых
аустенитных сталях против образования кристаллизационных
трещин. Марганец обладает более высоким, по сравнению с же-
лезом, химическим сродством к сере. При достаточно высокой
его концентрации в металле шва сера связывается в тугоплавкий
сульфид марганца, включения которого менее опасны в отношении
возникновения трещин, чем включения сульфида железа.
При высоком содержании марганца в металле шва в присут-
ствии углерода возможно возникновение кристаллизационных
трещин, вызванных легкоплавкой карбидной эвтектикой. В связи
с этим в зависимости от концентрации марганец оказывает двой-
ственное влияние на стойкость швов против образования кристал-
лизационных трещин. Так, например, для швов, содержащих
0,10—0,12% С, повышение содержания марганца до 2,5% оказы-
вает положительное влияние на стойкость металла шва против
образования трещин. Повышение содержания марганца от 2,5
до 4% не оказывает влияния, а дальнейшее повышение его содер-
жания уменьшает стойкость металла шва против образования
трещин. При повышении содержания углерода в металле шва
полезное влияние марганца сказывается в более узких пределах
концентраций. Так, при содержании 0,13—0,2% С полезное влия-
ние марганца отмечается при содержании его до 1,8%.
Марганец является постоянной составляющей стали; раство-
ряясь в феррите, он повышает его прочность. Марганец поступает
в металл шва из основного и дополнительного металлов, а также
из материалов, входящих в состав покрытия или флюса.
Хром, подобно марганцу, уменьшает вредное влияние серы,
повышая стойкость швов против образования кристаллизацион-
233
пых трещин. Обладая более высоким, чем железо, химическим
сродством к сере, хром связывает ее в тугоплавкий сульфид хрома.
Растворяясь в феррите, хром повышает прочность металла.
При высоком содержании хрома и повышенном содержании угле-
рода возможно образование кристаллизационных трещин по
легкоплавким карбидным прослойкам. Хром поступает в металл
шва из основного и дополнительного металлов.
Кислород повышает стойкость швов против образования кри-
сталлизационных трещин, вызываемых серой. Вместе с тем повы-
шение содержания кислорода снижает ударную вязкость металла
шва на углеродистых и низколегированных конструкционных
сталях и уменьшает пластичность аустенитных швов. Кислород
может попадать в металл шва из основного и дополнительного
металлов, электродного покрытия, флюса, защитного газа или
воздуха.
Одним из наиболее широко применяемых технологических
методов повышения стойкости шва против образования кристал-
лизационных трещин является уменьшение в нем содержания
вредных и увеличение полезных элементов. Изменения химиче-
ского состава металла шва в желаемом направлении обычно до-
стигают применением дополнительного металла с низкой концен-
трацией вредных примесей и содержащего полезные легирующие
элементы, уменьшением доли участия основного металла в ме-
талле шва, а также выбором типа покрытия или флюса, при ме-
таллургическом взаимодействии которых с металлом сварочной
ванны происходит очищение его от вредных и легирование полез-
ными элементами.
Долю основного металла в шве уменьшают за счет применения
соответствующих методов и режимов сварки (сварки на малых
токах, двумя дугами, по присадочной проволоке и т. п.). Наиболее
действенный метод предотвращения возникновения трещин в ме-
талле шва за счет применения основного металла с низким содер-
жанием вредных элементов не всегда оправдан, так как ведет
к повышению стоимости основного металла.
Для конструкций, работающих при повышенных температурах,
необходимо стремиться к тому, чтобы металл шва по химическому
составу был близок к основному металлу. Следует избегать раз-
личного легирования шва и основного металла, могущего привести
в результате протекающих при этих температурах процессов
диффузии к образованию в сварном соединении зоны с изменен-
ными свойствами (например, обезуглероженной зоны). Наличие
структурной неоднородности может вызвать резкую концентра-
цию напряжений и преждевременный выход конструкции из строя.
Влияние формы сварочной ванны. Изменение способа и ре-
жима сварки приводит к изменению формы сварочной ванны
(формы шва) и, как следствие, к изменению направления роста
столбчатых кристаллитов и характера их взаимного срастания.
Конфигурация шва характеризуется коэффициентом формы —
234
Рис. 6-8. Направление роста кристаллитов в зависимости от формы провара:
а — узкая;	б — чашеобразная;	в — плоская
отношением ширины шва к глубине проплавления. При узком
и глубоком проваре (коэффициент формы шва 0,8—1,2) кристал-
литы растут навстречу друг другу и встречаются между собой
торцами под углом 180° или близким к нему (рис. 6-8, а). При
чашеобразной форме провара (коэффициент формы шва 1,3—5)
кристаллиты растут под острым углом друг к другу и встречаются
торцами или боковыми гранями (рис. 6-8, б). При широком и
неглубоком проваре (коэффициент формы шва более 5) кристал-
литы растут параллельно друг другу и, не встречаясь, выходят
на поверхность шва (рис. 6-8, в).
Влияние формы шва на стойкость его против образования
кристаллизационных трещин наблюдается при дуговой, электро-
шлаковой и электроннолучевой сварке. Увеличение коэффициента
формы шва до определенного предела (примерно 6) приводит
к повышению стойкости металла шва против образования кристал-
лизационных трещин. Дальнейшее увеличение коэффициента
формы шва снова приводит к снижению стойкости металла шва
против образования кристаллизационных трещин. Швы с таким
большим значением коэффициента формы встречаются главным
образом при наплавке, выполняемой электродной лентой, и при
сварке последнего прохода многослойного шва.
На рис. 6-9 приведена зависимость между критическим содер-
жанием углерода в металле шва и коэффициентом формы шва
для дуговой сварки под флюсом углеродистых конструкционных
сталей. Все остальные факторы, оказывающие влияние на стой-
кость шва против образования трещин, практически постоянны.
Содержание кремния в металле шва до 0,4%, содержание серы —
до 0,04%. С увеличением коэффициента формы шва до определен-
ного предела критическое содержание углерода возрастает. В за-
висимости от значения коэффициента формы шва данное содержа-
ние углерода может быть выше или ниже критического.
Такая же взаимосвязь существует между коэффициентом формы
шва и критическим содержанием других элементов и распростра-
няется па другие виды сварки плавлением. Неблагоприятные
условия в отношении формы сварочной ванны создаются при
235
сварке первого слоя многослойного шва и углового шва с раздел-
кой кромок, где требование обеспечения провара вершины угла
предопределяет необходимость применения швов с малым коэф-
фициентом формы (рис. 6-10, а, б). Из практики известно, что
подобные швы обладают пониженной стойкостью против образо-
вания кристаллизационных трещин. Для улучшения условий
формирования первого слоя многослойных швов увеличивают
угол разделки и уменьшают величину притупления.
Неблагоприятные условия для кристаллизации металла шва
создаются при сварке стыковых односторонних швов с полным
проваром на флюсовой подушке. При этом в результате ограни-
ченного теплоотвода от основания сварочной ванны столбчатые
кристаллиты растут навстречу друг другу, что определяет боль-
шую вероятность появления трещин (рис. 6-11).
Изменение формы провара — один из широко применяемых
технологических методов повышения стойкости металла шва
против образования кристаллизационных трещин. Более высокое
значение коэффициента формы шва, наряду с другими факторами,
определяет большую стойкость против образования кристал-
Рис. 6-10.
Первый слой многослой-
ного шва:
а — стыкового;
б — углового, с разделкой
кромок
236
(Рис. 6-11. Трещина в одностороннем шве
.лизационных трещин швов, выполненных ,	--4 .
.дуговой сваркой покрытыми электродами и ' /. '
-электрошлаковой сваркой, по сравнению со аМИЯВИИИ
швами, сваренными под флюсом. При ти-
пичных для первых двух способов режимах
>сварки коэффициент формы шва изменяется в пределах 2,5—5,0
против 1,0—2,5 при сварке под флюсом. Повышению стойкости
швов против образования кристаллизационных трещин при
ручной дуговой сварке способствует снижение доли основного
металла в металле шва, а при электрошлаковой сварке — и на-
личие сопутствующего подогрева.
В сварочной практике существует мнение, что швы с выпуклой
формой поверхности обладают более высокой стойкостью против
образования кристаллизационных трещин, чем швы с вогнутой
формой поверхности. Это мнение не соответствует действительно-
сти. При прочих равных условиях стойкость металла того и дру-
гого шва против образования кристаллизационных трещин оди-
накова. Только, как это видно на рис. 6-2, в выпуклых швах тре-
щины не выходят, а в вогнутых швах выходят на их поверхность.
Влияние величины первичных кристаллитов. Стойкость ме-
талла шва против образования кристаллизационных трещин
может быть повышена путем измельчения первичной структуры
металла шва и изменения характера первичной кристаллизации.
Измельчение первичной структуры способствует уменьшению
степени химической неоднородности, т. е. уменьшению концен-
трации вредных примесей по границам кристаллитов.
Измельчение первичной структуры металла шва может быть
достигнуто за счет увеличения скорости кристаллизации. Для этого
уменьшают погонную энергию сварки путем снижения силы сва-
рочного тока, повышения скорости сварки, увеличения числа
проходов. Однако при этом снижается производительность сва-
рочных работ. Указанного недостатка лишен способ введения
дополнительного металла с присадочной проволокой, приводящей
к охлаждению металла сварочной ванны и уменьшению размеров
кристаллитов.
Измельчению первичной структуры металла шва способствует
мелкозернистая структура основного металла, так как рост столб-
чатых кристаллитов начинается с оплавленной поверхности основ-
ного металла. Измельчение зерен основного металла достигается
в процессе его производства. Наклеп кромок деталей перед свар-
кой также замедляет рост зерен основного металла под влиянием
сварочного нагрева. Положительный эффект может быть достиг-
нут и при соответствующей наплавке кромок перед сваркой.
Измельчение первичных кристаллитов и дезориентированное
строение металла шва могут быть достигнуты введением в свароч-
ную ванну модификаторов. Модификаторами называют вещества,
247
присутствие малых количеств которых изменяет процесс кристал-
лизации. Модификаторы могут быть двух типов. К первому типу
относятся поверхностно-активные модификаторы, молекулы ко-
торых, адсорбируясь на гранях растущих кристаллитов металлу,
задерживают их рост и изменяют форму. Модификаторы второго
типа образуют в жидком металле мельчайшие тугоплавкие ча-
стицы, являющиеся зародышами кристаллитов. Эти частицы
должны иметь кристаллическую структуру, близкую к таковой
модифицируемого металла. Эффект модифицирования при сварке
стали наблюдается, например, при введении титана через кера-
мический флюс или через электродное покрытие. Для аустенит-
ного шва модифицирование имеет место при выделении карбидов
ниобия или ферритной фазы.
Измельчить первичную структуру металла шва можно путем
механических колебаний сварочной ванны в процессе ее кристал-
лизации, механической вибрации электрода, электромагнитных
колебаний и т п. Подобный эффект дает также наложение ультра-
звуковых колебаний. Все эти способы вызывают дробление кри-
сталлитов и перемешивание расплава, в результате чего первичная
структура измельчается.
Горячие трещины в околошовной зоне. В околошовной зоне
сварных соединений конструкционных сталей и сплавов иногда
наблюдаются горячие трещины, проходящие по границам зерен
основного металла (рис. 6-12). Эти трещины могут распростра-
няться в металл шва или другие участки околошовной
зоны.
Горячие трещины образуются в околошовной зоне в процессе
сварки при температурах ниже точки плавления основного ме-
талла. При этом на границах зерен собираются поверхностно-
активные элементы, в том числе вредные примеси. В результате
на межзеренных границах образуются легкоплавкие включения
и прослойки. Величина взаимного проскальзывания зерен и
относительное количество межзеренных границ, по которым оно
происходит, значительно снижаются с уменьшением размера
зерен. Поэтому при мелкозернистом основном металле стойкость
против образования трещин в околошовной зоне больше, чем
при крупнозернистом В связи с этим катаные и кованые стали и
сплавы по способности противостоять возникновению и развитию
горячих трещин превосходят литые стали и сплавы.
Под воздействием процесса сварки неметаллические включе-
ния основного металла также претерпевают существенные изме-
нения, сопровождающиеся образованием опасных в отношении
возникновения горячих трещин пленообразных включений суль-
фидов и фосфидов.
Снижение опасности образования горячих трещин может быть
достигнуто путем рационального легирования стали или сплава,
совершенствования методов их изготовления, использования спо-
собов и режимов сварки с минимальным выделением теплоты.
238
Рис. 6-12. Горячая трещина в околошовной зоне
В основном металле следует ограничивать содержание вредных
примесей, в особенности серы и фосфора, прибегать к связыванию
этих элементов в тугоплавкие соединения, а также способствовать
измельчению и равномерному распределению их в основном ме-
талле
§ 6-3. Холодные трещины
В отличие от кристаллизационных трещин холодные
трещины образуются в сварных соединениях при остывании их
до относительно невысоких температур, как правило, ниже
200° С К этому времени металл шва и околошовной зоны при-
обретает высокие упругие свойства, присущие ему при нормаль-
ных температурах. Холодные трещины являются типичным де-
фектом сварных соединений из среднелегированных и высоко-
легированных сталей перлитного и мартенситного классов. Зна-
чительно реже они возникают в соединениях из низколегирован-
ных ферритно-перлитных сталей и высоколегированных сталей
аустенитного класса. Ввиду преимущественного возникновения
холодных трещин в соединениях из восприимчивых к закалке
мартенситных и перлитных сталей трещины этого типа иногда
называют закалочными. Холодные трещины наиболее часто по-
ражают околошовную зону и реже металл шва.
Выявляют трещины внешним осмотром, с помощью ультра-
звука, по макро- и микрошлифам, а также по излому образцов.
239
По внешнему виду Холодные трещины отличаются от кристалли-
зационных и горячих трещин меньшей шириной, что четко про-
является на слабо протравленных макро- и микрошлифах.
В зависимости от расположения в сварном соединении раз-
личают продольные и поперечные трещины, залегающие в ме-
талле шва и околошовной зоне (рис. 6-13). Особо выделяют про-
дольные трещины, залегающие в зоне сплавления шва с основным
металлом (рис. 6-13, б), которые называют отрывами. Продольные
трещины, расположенные в околошовной зоне, называют отко-
лами (рис. 6-13, а). Часто встречаются также поперечные и про-
дольные трещины, переходящие из околошовной зоны в шов.
Переход трещин из шва в околошовную зону встречается значи-
тельно реже. Поперечные трещины, зародившиеся в околошовной
зоне и перешедшие в шов, показаны на рис. 6-14. Трещины отме-
ченных видов могут выходить и не выходить на поверхность сва-
риваемого металла. В зависимости от этого их называют наруж-
ными или внутренними трещинами.
Отколы являются наиболее общим и частым дефектом сварных
соединений. Отрывы встречаются, как правило, в сварных соеди-
нениях из закаливающихся сталей, в которых металл шва имеет
аустенитную структуру. Такую структуру получают путем соот-
ветствующего легирования швов с целью придания им высоких
Рис. 6-13. Холодные трещины
а — продольные^околошовные (отколы),
б — продольные вазоне сплавления (отрывы);
в — поперечные в металле шва
е — поперечные околошовные
240
Рис. 6-14. Поперечные трещины, развивающиеся в направлении шва
пластических свойств и обеспечения высокой сопротивляемости
околошовной зоны образованию отколов.
Поперечные трещины в околошовной зоне встречаются редко
и, как правило, только при сварке многослойных швов.
Холодные трещины в шве образуются, главным образом, при
повышенном содержании в металле шва углерода и легирующих
элементов, близком к содержанию их в основном металле. Это
бывает редко, так как с целью повышения стойкости металла шва
против образования кристаллизационных трещин содержание
углерода в шве обычно устанавливают более низким, чем в основ-
ном металле.
Основным видом холодных трещин в сварных соединениях
являются околошовные трещины, в связи с чем условия и при-
чины их образования изучены достаточно подробно.
Кроме температуры возникновения, внешнего вида и располо-
жения в соединении важнейшей отличительной чертой холодных
трещин является их задержанное зарождение и замедленное раз-
витие. Они возникают по истечении некоторого времени после
окончания сварки и затем медленно, на протяжении нескольких
часов и даже суток, распространяются в металле.
Типичный пример зарождения и развития продольной тре-
щины в околошовной зоне однослойного стыкового соединения
стали 35X3H3M толщиной 14 мм схематически показан на рис. 6-15.
Первая зародышевая микротрещина появилась через 25 мин после
сварки (под флюсом в один проход) при температуре около 130° С.
На протяжении первого часа после сварки появилось еще не-
сколько микротрещин (рис. 6-15, а) на границах зерен, выходя-
щих на поверхность свариваемых листов. Они отчетливо обнару-
живались с помощью ультразвука и под микроскопом, но были
невидимы невооруженным глазом. В дальнейшем появились новые
16 Заьаз № 782	241
a)	S)	В)	г)
Рис. 6-15. Схема зарождения и развития холодных околошовных трещин в сты-
ковом соединении стали 35X3H3M:
а — зарождение первых микротрещин;
б — зарождение новых микротрещин н развитие ранее возникших через 6 ч
после сварки;
в — наличие микротрещин через 18 ч после сварки;
г — образование сквозных микротрещин через 72 ч после сварки;
д — зарождение микротрещин по границам зерен; Х100
и развивались ранее возникшие микротрещины (рис. 6-15, б, в).
Этот процесс происходил медленно — макроскопическая трещина
образовалась лишь на третьи сутки (рис. 6-15, г). Если начальное
развитие холодных трещин идет по границам зерен, то в дальней-
шем оно может проходить как по границам, так и по телу зерна
(рис. 6-15, д).
Описанная выше картина зарождения и развития холодных
трещин может существенно изменяться в зависимости от химиче-
242
ского состава основного металла, размеров и толщины соединяе-
мых деталей, условий их закрепления перед сваркой, способов
и режимов сварки и других факторов. Факторы, понижающие
сопротивляемость сварных соединений образованию холодных
трещин, ускоряют их зарождение и развитие, а факторы, повы-
шающие эту сопротивляемость, замедляют.
Большое разнообразие условий для возникновения холодных
трещин в реальных сварных конструкциях приводит к тому, что
в одних случаях макроскопические холодные трещины появляются
через несколько минут после сварки, а в других — после не-
скольких часов и суток. Известны примеры, когда трещины воз-
никали даже по истечении нескольких десятков суток. Они могли
образоваться только вследствие развития начальных микротре-
щин, возникших в соединении в первые часы после сварки и затем
прекративших свой рост ввиду недостаточной величины свароч-
ных напряжений или других причин. Впоследствии при хранении
конструкций могли произойти неблагоприятные изменения внеш-
них условий, способствующие развитию микротрещин в макро-
трещины. В условиях монтажа и эксплуатации сварной конструк-
ции дополнительным фактором, который мог вызвать не только
возобновление роста микротрещин, но и их образование, является
суммирование сварочных напряжений с напряжениями от внеш-
них нагрузок.
Холодные трещины чаще всего развиваются прерывисто (скач-
кообразно), причем одновременно может развиваться несколько
микротрещин. Если же в соединении при сварке накопилась
большая энергия упругой деформации, то после начального
периода замедленного развития холодная трещина растет мгно-
венно (взрывообразно) и со значительным звуковым и механиче-
ским эффектом распространяется на все сечение соединения.
Отдельные детали при этом расходятся в стороны.
Объяснить причины образования холодных трещин весьма
трудно. При испытании на растяжение поперечных образцов
сварного соединения, склонного к образованию отколов, разру-
шение происходит вне околошовной зоны по основному металлу
или шву при весьма высоких напряжениях (более 50 кгс/мм2).
Вместе с тем замер поперечных сварочных напряжений в этих
соединениях показал, что они низки (порядка 10—20 кгс/мм2).
Было непонятно, почему такие низкие напряжения вызывают раз-
рушение наиболее прочного участка сварного соединения — ме-
талла околошовной зоны.
Понадобились многолетние исследования, прежде чем были
выяснены основные закономерности образования холодных трещин
при сварке и было установлено, что основными факторами, опре-
деляющими их возникновение и развитие в сварных соединениях,
являются закалочные явления, суммарные напряжения (свароч-
ные и от внешних нагрузок) и водород. Для изложения основных
результатов этих исследований рассмотрим водородную и зака-
16*	243
лочную гипотезы образования холодных трещин, предложенные
еще в 1944 г. и непрерывно развивающиеся до настоящего времени.
В соответствии с водородной гипотезой основным фактором,
определяющим стойкость околошовной зоны против образования
трещин, является водород, поступающий в околошовную зону из
металла шва. Гипотеза основывалась на экспериментальных фак-
тах, свидетельствующих о том, что применение низководородных
и аустенитных электродов приводит к заметному повышению со-
противляемости соединений образованию отколов.
Согласно гипотезе, попадающий при сварке в металл шва во-
дород диффундирует в околошовную зону. Здесь, скапливаясь
в микропустотах и несовершенствах атомной решетки и превра-
щаясь из атомарного в молекулярный, он создает громадное дав-
ление, под действием которого и происходит разрушение металла,
т. е. образование трещин. Высокую сопротивляемость образованию
околошовных трещин соединений с аустенитным швом объясняли
тем, что швы с аустенитной структурой в условиях сварочного
термического цикла удерживают практически весь водород и пере-
мещения водорода в околошовную зону не происходит.
Водородная гипотеза долгое время была общепринятой, хотя
и не основывалась на прямых данных о связи отколов с содержа-
нием водорода в околошовной зоне. Однако экспериментальные
данные, полученные методом вакуум-нагрева отдельных участков
сварного соединения (рис. 6-16, б, г), а также путем наблюдения
за выделением из сварного соединения диффузионного водорода
(рис. 6-16, а, в), показали, что при одинаковых условиях сварки
содержание водорода в околошовной зоне при аустенитной струк-
туре металла шва значительно выше, чем при ферритной струк-
туре. На рис. 6-16, а, в видно, что диффузионный водород из около-
Рис. 6-16. Распределение водорода по сечению ферритной (а, б) и аустенитной
(в, г) наплавок, выполненных на стали ЗОХГС под флюсом АН-15
в одинаковых условиях.
а, в — выделение диффузионною водорода непосредственно после сварки,
е, д —- распределение содержания водорода (диффузионного 4- остагоч
ного) по сечению наплавки
244
шовной зоны выделяется только при аустенитном наплавленном
металле. В этих опытах производилась однослойная наплавка
валиков под флюсом на сталь ЗОХГС толщиной 30 мм. Данные
о высоком содержании водорода в околошовной зоне соединений
с аустенитным швом также получены и с помощью локального
спектрального анализа.
Наряду с этим имеются многочисленные сведения о значитель-
ном повышении стойкости околошовной зоны против образования
трещин при снижении содержания водорода в металле шва. Так,
например, при снижении содержания водорода в металле шва
в 1,5—2 раза, достигаемом при использовании постоянного тока
взамен переменного, заметно повышается стойкость околошовной
зоны против образования холодных трещин при сварке низколе-
гированной ферритной проволокой сталей типа 25ХГС.
Таким образом, водород в одних случаях существенно влияет
на стойкость околошовной зоны против образования трещин,
в других же, например при сварке среднелегированных сталей
аустенитной проволокой, его роль второстепенна. Это позволяет
заключить, что водород не является главным и тем более единствен-
ным фактором, определяющим образование холодных трещин
в сварных соединениях. Его влияние на их образование необхо-
димо рассматривать совместно с действием других факторов, обу-
словленных преимущественно закалочными явлениями в околошов-
ной зоне и сварочными напряжениями. В соединениях с аустенит-
ным швом положительное действие других факторов значительно
преобладает над отрицательным действием водорода.
Закалочная гипотеза холодных трещин основана на большом
экспериментальном материале исследований закалочных явлений
в металле вообще и в сварных соединениях в частности. При этом
особое значение имеют исследования, установившие наличие и
сущность замедленного разрушения закаленных сталей и металлов.
Согласно этой гипотезе, механизм образования холодных тре-
щин можно описать следующим образом. В процессе охлаждения
в околошовной зоне сварного соединения закаливающихся сталей
образуется характерная мартенситная структура металла и слож-
ное напряженное состояние, обусловленное суммированием сва-
рочных и структурных напряжений. Для большинства конструк-
ционных сталей, при сварке которых наблюдается образование
холодных трещин, структурные превращения в околошовной зоне
заканчиваются в основном при охлаждении до температур порядка
150° С. К этому моменту завершается и формирование напряжен-
ного состояния в сварных соединениях из этих сталей.
Характерной и отличительной особенностью напряженного
состояния сварных соединений, закаливающихся сталей с феррит-
ным или аустенитным швом является возникновение сложного
распределения продольных сварочных напряжений (рис. 6-17);
это распределение характеризуется наличием сравнительно вы-
соких напряжений сжатия в участке зоны на границе со швом и
245
Рис. 6-17. Распределение продольных (а) и поперечных (б) напряжений’, свар-
ных соединениях закаливающихся сталей с ферритным и аустенитным
швами
высоких напряжений растяжения в соседнем участке этой зоны,
а также в сварном шве. Такое распределение продольных напря-
жений обусловлено значительным увеличением объема металла
околошовной зоны, непосредственно граничащего со швом, вслед-
ствие мартенситного превращения. В поперечном направлении
возникают небольшие растягивающие напряжения в средней
части соединения (по длине) и напряжения сжатия по краям (см.
рис. 6-17). В результате на границе раздела шов—основной металл
появляются большие скалывающие напряжения, способствующие
замедленному разрушению закаленной стали и образованию хо-
лодных трещин типа отколов.
Замедленное разрушение происходит вследствие снижения
прочности некоторых металлов под влиянием длительного стати-
ческого нагружения при близких к комнатным температурах.
В отдельных случаях это снижение прочности очень значительное.
Так, например, для стали с повышенным содержанием углерода
и легирующих элементов (типа 35ХГС) непосредственно после
закалки с высоких температур (1200° С) длительная прочность
может составить всего 10% кратковременной прочности. Причины
замедленного разрушения перегретой закаленной стали заклю-
чаются в особой ее структуре.
Типичная структура закаленной стали, склонной к замедлен-
ному разрушению, наблюдается в участке перегрева околошовной
зоны (рис. 6-18). Она характеризуется крупным зерном и соответ-
ственно крупными мартенситными иглами, выходящими своими
торцами на границы зерен. В результате изменений в пограничных
объемах зерен искажается атомное кристаллическое строение ме-
талла. Можно предполагать, что по строению и свойствам эти
пограничные участки зерен приближаются к аморфным телам.
Как известно, аморфные тела могут претерпевать значительную
деформацию во времени под действием постоянной нагрузки, недо-
статочной для сколько-нибудь заметного деформирования тел
при кратковременном ее действии. В свете современных представ-
246
Рис. 6-18. Структура
35X3H3M
металла околошовной зоны, участок перегрева, сталь
лений о строении мартенсита отмеченное искажение кристалли-
ческой решетки следует связывать также с тем, какой мартенсит
образуется в околошовной зоне — дислокационный, относительно
пластичный, или двойниковый, весьма хрупкий. Последнее опре-
деляется содержанием углерода в стали и температурой мартен-
ситного превращения (см. гл 6).
Исходя из замедленного характера разрушения сварных со-
единений и учитывая приведенные выше сведения о напряженном
состоянии и структуре околошовной зоны, способствующих такому
разрушению, зарождение и развитие холодных трещин можно опи-
сать следующей схемой (рис 6-19). Еще в процессе завершения
структурных превращений крупнозернистый металл околошовной
зоны с грубыми мартенситными иглами, как бы подготовленный
к замедленному разрушению по границам зерен, подвергается воз-
действию сложнонапряженного состояния. Этот металл подвер-
гается естественному испытанию на стойкость против замедлен-
ного разрушения непосредственно в процессе сварки.
Рассмотренное выше сложнонапряженное состояние на пред-
лагаемой схеме отражено следующим образом: в околошовной зоне
у границы со швом действуют продольные напряжения сжатия Qi
и поперечные напряжения растяжения о2 В примыкающем участке
шва у этой границы действуют продольные напряжения растяже-
ния ох и те же поперечные напряжения растяжения о2. При этих
условиях на границе раздела возникают значительный перепад
продольных напряжений (—(тх)—(+ах) и значительные напряже-
ния сдвига. По границам зерен околошовной зоны, направленным
247
Рис. 6-19. Схема зарождения околошов-
ной трещины по границам
зерен
под углом 45° к оси шва, возни-
кают значительные касательные
напряжения т. Такое напряжен-
ное состояние способствует за-
рождению трещины замедленного
разрушения на стыке трех зерен
(см. рис. 6-19), которая в дальней-
шем постепенно развивается в пол-
ном соответствии с изложенными
выше представлениями.
Так зарождаются околошовные
трещины всех видов — продоль-
ные (отрывы и отколы) и поперечные (собственно околошовные
и переходящие в шов). Направление дальнейшего развития заро-
дившейся трещины зависит от способности металла того или иного
участка сварного соединения противостоять ее развитию, а также
от конкретного сочетания продольных и поперечных напряжений и,
в частности, от величины перепада напряжений на границе шов—
околошовная зона. При этом, как правило, начальная стадия раз-
вития холодных трещин связана с границами крупных зерен.
Образованию отрывов в соединениях легированных сталей
с аустенитным швом помимо перепада напряжений и наличия круп-
ных зерен в околошовной зоне способствуют низкая пластичность
и прочность зоны сплавления. Следует также учитывать, что такие
причины замедленного разрушения (развития холодных трещин),
как перегрев металла и большой перепад продольных напряжений,
действуют одновременно и совместно только на границе шов—
околошовная зона. Поэтому отмеченная граница в наибольшей
степени подвержена образованию продольных трещин. Кроме
того, металл околошовной зоны вблизи шва часто ослабляется раз-
витием высокотемпературной химической неоднородности и не-
благоприятным видоизменением неметаллических включений,
обусловленным нагревом до высоких температур, близких к точке
плавления.
Образование поперечных трещин также начинается в около-
шовной зоне на участке перегрева и обычно свидетельствует о вы-
соком уровне продольных напряжений в соединении. В сравни-
тельно редких случаях, преимущественно в соединениях с много-
слойными швами, поперечные холодные трещины могут заро-
ждаться в околошовной зоне на некотором расстоянии от участка
перегрева, в местах, где развиваются весьма высокие напряже-
ния растяжения (см. рис. 6-17). Возможно также зарождение
поперечных трещин в самом металле шва. Обычно это имеет ме-
сто в многослойных малопластичных швах.
248
Выше было рассмотрено возникновение зародышей холодных
трещин по границам зерен вследствие нарушения по этим границам
атомного строения металла. В реальных металлах возможен и
другой механизм образования зародышей таких трещин, связан-
ный с наличием неметаллических включений’. Последние могут
располагаться в металле по границам и телу зерен. Зародышами
холодных трещин могут стать неметаллические включения при
их неблагоприятных форме, химическом составе и расположении, а
также горячие трещины — надрывы, возникающие в участке круп-
ного зерна околошовной зоны. В результате неизбежного нагрева
этого участка до температур, близких к солидусу, в нем проис-
ходят значительные изменения исходных неметаллических вклю-
чений основного металла. Это имеет существенное значение при
электрошлаковой и дуговой однослойной сварке толстого металла.
Отмеченные изменения происходят в наибольшей степени в тех
участках соединения, где максимальный перегрев околошовной
зоны сочетается с высокими временными напряжениями растяже-
ния при температурах, близких к солидусу. Такое неблагоприят-
ное сочетание условий имеет место при сварке кольцевых швов
толстостенных сосудов.
На рис. 6-20 показаны примеры зарождения холодных трещин
от пленообразного неметаллического включения и от горячих тре-
щин-надрывов.
При помощи электрошлакового и электроннолучевого пере-
плавов можно существенно уменьшить общее количество неметал-
лических включений в основном металле, предельно ограничить
содержание легкоплавких включений сульфидного происхождения
и перевести их в более тугоплавкие соединения, а также достичь
равномерного и мелкодисперсного распределения неметалличе-
ских включений в металле. При этом значительно повышается
стойкость сварных соединений против образования холодных тре-
щин. Аналогичные результаты можно получить, применив предва-
рительную наплавку подлежащих сварке кромок.
Если наплавку выполнить металлом такого же химического
состава, что и металл кромок, то стойкость соединения против
образования холодных трещин обычно на 20—30% превысит
стойкость соединения без наплавки. В этом случае эффект дости-
гается вследствие благоприятных изменений состава и распреде-
ления неметаллических включений в наплавленном металле.
Если же применить наплавку незакаливающимся металлом, на-
пример аустенитным, то можно почти полностью устранить опас-
ность возникновения в соединениях холодных трещин.
Изложенное позволяет, с точки зрения закалочной гипотезы,
объяснить влияние многочисленных и разнообразных факторов на
стойкость соединений против образования холодных трещин.
Рассмотрим этот вопрос на примере сварных соединений средне-
легированных сталей. Исходным в этом объяснении является по-
ложение о том, что стойкость соединений против образования
?4Я

Рис. 6-20. Зарождение холодной трещины в участке перегрева с развитой высоко-
температурной неоднородностью от пленообразного неметалличе-
ского включения (а) и надрыва (б): X 1000
250
холодных трещин определяется, с одной стороны, сопротивляе-
мостью металла замедленному разрушению, и, с другой —напря-
женным состоянием в сварном соединении. При этом принципи-
ально важно учитывать, во-первых, влияние различных факторов
на изменение условий локальной пластической деформации по
границам зерен и, во-вторых, их влияние на стойкость участков
сварного соединения развитию холодных трещин.
Все факторы, вызывающие упорядочение атомного строения
по границам зерен, затрудняющие образование сдвигов по этим
границам и способствующие вовлечению в пластическую дефор-
мацию тела зерна, повышают стойкость металла против образо-
вания холодных трещин, затрудняя их зарождение. Такое же
влияние оказывают факторы, исключающие или ослабляющие воз-
можность образования зародышей холодных трещин от неметал-
лических включений, микроскопических горячих трещин-над-
рывов ит. п.
В связи с изложенным решающее влияние на стойкость свар-
ных соединений среднелегированных сталей против образования
холодных трещин оказывают перегрев в околошовной зоне, тем-
пературный интервал мартенситного превращения в этой зоне,
а также в металле шва и скорость охлаждения околошовной зоны
и металла шва в этом интервале. Чем меньше перегрев, выше тем-
пература мартенситного превращения и медленнее охлаждение,
тем меньше нарушается атомное строение на границах зерен и
соответственно затрудняется зарождение трещин. Кроме того,
чем выше пластичность мартенсита, тем выше его сопротивляемость
развитию трещин.
Образование трещины затрудняется еще и тем, что как повы-
шение температуры мартенситного превращения, так и замедле-
ние охлаждения, уменьшая перепад продольных напряжений на
границе околошовная зона—шов, смягчают напряженное состоя-
ние в участке, где их возникновение наиболее вероятно. Если огра-
ничить перегрев и предупредить образование мартенсита или до-
статочно высоко сместить температурный интервал его образо-
вания, то возникновения холодных трещин можно не опасаться.
Их не будет и в том случае, если достаточно сильно замедлить охла-
ждение в мартенситном интервале температур. Мартенсит при та-
ком охлаждении в среднелегированных сталях отпускается (са-
моотпускается) и становится не склонным к замедленному раз-
рушению.
Отсюда следует, что наиболее простой и эффективный способ
борьбы с холодными трещинами заключается в регулировании
термического цикла сварки путем выбора соответствующих ме-
тодов и режимов сварки, а также использования в необходимых
случаях предварительного подогрева.
Идеальный термический цикл, обеспечивающий наивысшую
стойкость против образования холодных трещин, приведен на
рис. 6-21. Для сравнения на этом же рисунке показаны обычные
251
Рис. 6-21.
Сварочные термические
циклы:
а — идеальный, обеспечиваю-
щий наивысшую сопротив-
ляемость соединений обра-
зованию холодных трещин;
б — при электродуговой сварке,
в — при электроннолучевой
сварке
термические циклы для электроннолучевой и электродуговой
сварки. При таком идеальном термическом цикле перегрев не
развивается вследствие быстрого нагрева и охлаждения металла
при температурах выше точки At.
Медленное охлаждение при температурах ниже точки А х
способствует развитию в соединениях из среднелегированных
сталей перлитного и промежуточного превращений переохлажден-
ного аустенита в околошовной зоне и металле шва и устранению
или смещению мартенситного превращения в область высоких
температур. Другими словами, уменьшается закалка металла
сварного соединения, что повышает сопротивляемость стали за-
медленному разрушению и стойкость против образования холод-
ных трещин.
Этому также способствует, причем весьма активно, замедлен-
ное охлаждение сварного соединения в область температур мар-
тенситного превращения (ниже 350° С). В результате самоот-
пуска мартенсита при этих температурах упорядочивается кри-
сталлическое строение металла в объемах, примыкающих к гра-
ницам зерен, повышается пластичность металла в целом и затруд-
няется возникновение и развитие холодных трещин. Реальные
термические циклы, близкие к идеальным, можно получить при
электроннолучевой сварке с предварительным подогревом или при
многослойной дуговой сварке толстого металла с предварительным
подогревом.
Кроме отмеченных выше основных факторов, оказывающих
решающее влияние на стойкость сварных соединений против обра-
зования холодных трещин, имеются дополнительные и производ-
ные факторы, которые также могут оказывать влияние на эту
стойкость. К ним относятся содержание углерода и легирующих
элементов в основном металле и шве, качество основного металла,
деформационный цикл сварки, термообработка после сварки и др.
(см. гл. 10).
Остановимся кратко на методах оценки стойкости сварных
соединений против образования холодных трещин. Различают
252
Методы качественной и количественной оценки стойкости сбарнЫХ
соединений против образования холодных трещин.
Качественную оценку проводят при помощи технологических
проб на сварных образцах, в которых создают условия, способ-
ствующие образованию холодных трещин. Обычно прибегают
к закреплению соединяемых элементов на жестком основании —•
плите большой толщины и т. п.
Внешним осмотром и по макрошлифам устанавливают нали-
чие или отсутствие в контрольном шве технологической пробы
холодных трещин, определяют их вид и протяженность. По этим
показателям приблизительно предполагают, будут ли в реаль-
ных сварных соединениях возникать трещины и какие, т. е. опре-
деляют пригодность тех или иных марок стали, сварочных материа-
лов, методов, режимов и других условий сварки для изготовле-
ния конкретной сварной конструкции.
Оценка стойкости с помощью технологических проб весьма
приближенная. В одних случаях она приводит к излишнему запасу
этой стойкости и обусловливает неоправданное снижение проч-
ности основного металла вследствие чрезмерного ограничения
содержания углерода и легирующих элементов, неоправданному
применению таких дорогих и трудноосуществимых технологи-
ческих методов повышения стойкости, как предварительный по-
догрев и последующая термообработка соединений и т. п.
В других случаях оценка с помощью технологических проб
может быть причиной недостаточной стойкости против образова-
ния холодных трещин. Последнее обычно обусловлено тем, что
в ряде случаев напряженное состояние и деформации реальной
конструкции оказываются намного большими, чем в технологи-
ческой пробе.
В последние годы разрабатываются и находят практическое
применение методы количественной оценки стойкости металла
против образования холодных трещин, основанные на испыта-
ниях сварных соединений путем замедленного разрушения. Сущ-
ность метода, предложенного Н. Н. Прохоровым, состоит в том,
что с помощью специальных машин или устройств серия сварных
образцов сравнительно небольших размеров подвергается испыта-
нию на длительное растяжение или изгиб сразу же по окончании
сварки. Сварка образцов обычно осуществляется в этих же устрой-
ствах. Испытания на растяжение, как и другие виды «мягких»
нагружений, например кручение, заслуживают предпочтения,
как более полно и точно выявляющие склонность металлов к за-
медленному разрушению.
Преимущества испытаний на изгиб заключаются в большей
простоте испытательных устройств, так как на них необходимо
создавать значительно меньшие усилия, чем на устройствах для
растяжения (рис. 6-22). При выборе способа нагружения следует
учитывать реальные условия работы испытываемого соедине-
ния.
253
Рис. 6-22. Схемы устройств для испытания стойкости сварных соединений
против образования холодных трещин:
а — путем растяжения (/ — станина, 2 — первая подвижная плита;
3 — винт, 4 — клин; 5 — вторая неподвижная плита; 6 — образец);
б — путем изгиба (/ — струбцина; 2 — тяга; 3 — образец)
Испытания на замедленное разрушение проводятся в следую-
щем порядке. Подлежащие испытанию образцы делят на три-
четыре партии по два-три образца в каждой. Первоначально опре-
деляют кратковременную прочность, затем следующие партии
испытывают при напряжениях, составляющих 50; 25; 10% крат-
ковременной прочности, и для каждого напряжения определяют
время разрушения. Максимальную продолжительность нагруже-
ния, как правило, устанавливают равной 24 ч, а в отдельных
случаях 72 ч. По результатам испытания строят кривые замедлен-
ного разрушения.
Из приведенных на рис. 6-23 кривых, относящихся к случаю ис-
пытания на растяжение однослойных стыковых соединений, видно,
что указанным методом можно количественно оценить влияние весь-
ма незначительных и малозаметных изменений структуры и напря-
женного состояния сварных соединений на их стойкость против
образования холодных трещин. Этот метод можно рекомендовать
для широкого практического применения (подробнее см. в гл. 10).
Изложенные выше закономерности и положения, относящиеся
к образованию холодных трещин (причины их возникновения,
способы предупреждения, ме-
тоды оценки стойкости металла),
хотя и составлены на опытном
материале, накопленном при
Рис. 6-23. График зависимости проч-
ности соединений (тол-
щина металла 16 мм) от
длительности нагружения
для сталей:
а — 27ГСМ;
б — 30Х2НГМ;
в — 42Х2ГСНТ
сварке легированных закаливающихся сталей, имеют общий
характер и могут быть распространены также на стали и сплавы
других классов с определенными уточнениями.
В частности, эти положения полностью пригодны для анализа
процессов образования холодных трещин в сварных соединениях
высоколегированных сталей, в околошовной зоне которых обра-
зуется мартенсит. Они также могут быть распространены и на
случай образования холодных трещин в соединениях сплавов
титана с высоким пределом текучести. При сварке таких сплавов
в околошовной зоне и швах имеет место низкотемпературное пре-
вращение высокотемпературной фазы 0 в фазу а'.
Повышение содержания в фазе 0 алюминия 0-стабилизирую-
щих примесей (О, N) свыше определенных пределов может при-
вести к значительной локализации пластической деформации по
границам зерен околошовной зоны (см. рис. 6-19).
В сварных соединениях титана вследствие более высокой
температуры и меньшего объемного эффекта 0 —► «'-превращения
(по сравнению с мартенситным у —> «-превращением в стали)
замедленное разрушение развивается значительно менее интен-
сивно и требует более высокого уровня напряжений. Так, напри-
мер, если в сварных соединениях крестовой пробы из закаливаю-
щихся сталей процесс развития трещины завершается на протя-
жении суток, то в случае сплавов титана с высоким пределом те-
кучести он длится неделями и даже месяцами. Минимальные на-
пряжения, вызывающие замедленное разрушение сварных соеди-
нений титана, особенно при низком содержании газов, по своей
величине значительно ближе к пределу текучести, чем у закали-
вающихся сталей.
§ 6-4. Поры в сварных швах
Порами называют заполненные газом полости в швах,
имеющие округлую, вытянутую или более сложную форму. Они
возникают при первичной кристаллизации металла сварочной
ванны в результате выделения газов. Поры располагаются по оси
шва или по его сечению, а также вблизи от границы сплавления.
При дуговой сварке поры выходят или не выходят на поверхность
шва (рис. 6-24, а, б), располагаются цепочкой по оси шва
(рис. 6-24, а) или отдельными группами (рис. 6-24, в). Поры, вы-
ходящие на поверхность шва, иногда называют свищами. При
электрошлаковой сварке и дуговой сварке с принудительным фор-
мированием поры не выходят на поверхность шва (рис. 6-24, г),
что обусловлено более ранним затвердеванием примыкающей
к формирующим устройствам части металла сварочной ванны.
Поры могут быть микроскопическими (несколько микрометров)
и крупными (4—6 мм в поперечнике). Выходящие на поверхность
поры выявляются при внешнем осмотре. Поры, не выходящие на
поверхность, выявляются теми же методами, что и не выходящие
255
Рис. 6-24. Поры в металле шва
а — выходящие на поверхность шва,
б — не выходящие на поверхность шва,
в — групповое расположение пор,
? — распрложение пор при электрошлаковой сварку
на поверхность трещины. Поры — недопустимый дефект сварных
швов для аппаратуры, работающей под давлением и под вакуумом
или предназначенной для хранения и транспортировки жидких
и газообразных продуктов. Для других конструкций поры не яв-
ляются столь серьезным дефектом, как трещины. Однако наличие
пор при всех условиях нежелательно. Вопрос о допустимости пор
решается в зависимости от условий эксплуатации конструкции.
1/Основной причиной возникновения пор при сварке стали яв-
ляются водород, азот и окись углерода. Роль остальных газов
(Н2О, СО2 и др ) незначительна.\Пористость швов при сварке
алюминия и его сплавов в основном вызывается водородом. В швах
на меди поры образуются преимущественно при выделении паров
воды.
Если образование и выделение газов при сварке происходит
в период, когда металлическая ванна находится в жидком состоя-
нии, и протекает интенсивно, то пузырьки газов успевают пол-
ностью выделиться Их выделение не только не приводит к обра-
зованию пор, но оказывает рафинирующее действие на сварочную
ванну, снижая ее газонасыщенность. Если же образование и вы-
деление газов происходит в период затвердевания ванны и про-
ходит вяло, пузырьки газа не успевают всплыть и остаются в ме-
талле в виде пор.
Образование пор в швах на стали от выделения водорода и
азота обусловлено резким снижением их растворимости в процессе
затвердевания металла сварочной ванны. Находящиеся в жидком
состоянии железо и его сплавы могут растворять значительные
количества водорода и азота. По мере остывания металла раство-
римость этих газов снижается. При уменьшении температуры
вплоть до температуры плавления растворимость снижается по-
степенно и образовавшиеся пузырьки свободно всплывают на
поверхность жидкой ванны. При затвердевании металла снижение
растворимости водорода и азота происходит скачкообразно.
Например, при затвердевании низкоуглеродистой стали раство-
римость азота снижается в 4 раза, а водорода в 1,7 раза.
Более низкая растворимость водорода и азота в твердом ме-
талле по сравнению с растворимостью их в жидком металле ведет
к обогащению расплава этими газами, что способствует зарожде-
нию газовых пузырьков на поверхности раздела жидкого и твер-
дого металлов. При резком увеличении количества выделившегося
газа не все пузырьки успевают всплыть на поверхность сварочной
ванны, часть их остается в шве.
/Поры от окиси углерода возникают при недостаточной раскис-
ленности металла сварочной ванны. Растворенные в жидкой стали
углерод и кислород реагируют между собой по реакции
[С] + [01 = СО.	(6-1)
Образующаяся при этом окись углерода может давать начало
зародышам газовой фазы или же выделяться в уже существующие
17 Заказ Ks 782	2 5 7
пузырьки других газов. Для возникновения зародышей окиси
углерода необходимы определенный избыток содержаний углерода
и кислорода над равновесным и благоприятные условия для за-
рождения газовой фазы.
В реальных условиях сварки пористость швов обычно вызы-
вается совместным действием нескольких газов. Если в процессе
затвердевания металла сварочной ванны сила внутреннего давле-
ния в газовом зародыше или пузырьке заметно превышает баро-
метрическое давление, металл будет кипеть и в шве появятся
поры. Сила внутреннего давления в газовом зародыше или пу-
зырьке состоит из парциальных давлений отдельных газов.
Водород поступает в атмосферу дуги, а из нее в сварочную
ванну из ржавчины, влаги и других загрязнений, находящихся
на поверхности свариваемых кромок и присадочного металла, из
защитного газа или из материалов, входящих в состав покрытия
или флюса.
Уменьшить растворение водорода в металле сварочной ванны
можно ограничением доступа водорода и водяного пара в зону
сварки; снижением парциального давления водорода и водяного
пара в атмосфере дуги за счет связывания водорода в HF и раз-
бавления его другими газами; снижением растворимости водорода
в жидком металле вследствие окисления или легирования послед-
него; уменьшением растворения водорода в металлической ванне
технологическими способами (применением постоянного тока, из-
менениями режима сварки, применением соответствующих сва-
рочных материалов и т. и.); удалением водорода из металличе-
ской ванны при ее кипении; увеличением времени удаления во-
дорода из металлической ванны.
Основным способом ограничения поступления водорода и во-
дяного пара в зону сварки является очистка свариваемых кромок
от ржавчины, влаги, масла, краски и других водородсодержащих
веществ. При низкой температуре кромки следует также очищать
от инея и влаги и просушивать. Чтобы избежать концентрации
влаги на свариваемых кромках, рекомендуется их нагревать до
температуры 100° С и выше. Ржавчину, масло или краску можно
выжигать кислородно-ацетиленовой горелкой или резаком. Сва-
рочную проволоку следует очищать от следов волочильной смазки
и других загрязнений, избегать операции травления проволоки
при ее волочении (лучше производить светлый отпуск). Сварочные
электроды необходимо надежно упаковывать и хранить в сухом
помещении. Защитный газ следует применять с минимальной влаж-
ностью. Флюс должен быть хорошо прокален.
Азот поступает в зону сварки, а из нее в сварочную ванну из
окружающей атмосферы, а также из расплавляемых основного
и дополнительного металлов. Избежать пористости от азота можно
путем ограничения растворения азота в жидком электродном
металле и металлической ванне до величин, меньших раствори-
мости азота в твердом металле; повышения растворимости азота
258
в твёрдом металле; связывания азота в металле шва в стойкие
нитриды.
Растворение азота в металле ограничивают применением газо-
вой или шлаковой защиты зоны сварки от доступа воздуха. Кроме
того, нужно исключить все другие возможности поступления азота
в зону сварки. Содержание азота в основном металле и сварочной
проволоке не должно превышать допустимого. Нельзя выполнять
прихватки, монтажные и подварочные швы электродами со стаби-
лизирующим покрытием или покрытыми электродами с отбитой
обмазкой. Содержание азота в защитных газах должно быть ми-
нимальным.
Повышение растворимости азота в твердом металле и связы-
вание его в стойкие нитриды требуют дополнительного легирова-
ния металла шва элементами, обладающими большим химическим
сродством к азоту. К таким элементам принадлежат титан, алю-
миний, церий, цирконий и др. Вводить в металлическую ванну
нитридообразующие элементы целесообразно лишь тогда, когда
нет возможности ограничить доступ азота в зону сварки.
К металлургическим способам предупреждения пористости от
азота принадлежит также дегазация жидкого металла при его
кипении. В частности, этот способ применяют при сварке и на-
плавке под флюсом металла с повышенным содержанием азота.
Для этого иногда используют сварочную проволоку с повышенным
содержанием углерода.
Среди кислородных соединений окись углерода и водяной пар
отличаются тем, что при температурах существования жидкой
стали они находятся в газообразном состоянии. В связи с этим
одной из важнейших задач раскисления сварочной ванны является
предупреждение образования этих газов во время затвердевания
металла. Чтобы избежать пористости от выделения газообразных
кислородных соединений, в зону сварки вводят элементы с высоким
химическим сродством к кислороду, образующие твердые или
жидкие окислы. Соединяясь с кислородом, эти элементы тормозят
реакции образования окиси углерода и водяного пара. Эффек-
тивность действия элементов-раскислителей характеризуется их
раскислительной способностью, т. е. их способностью снижать
концентрацию кислорода в стали.
О раскислительной способности элементов можно судить по
рис. 6-25, на котором показано количество кислорода, находя-
щегося в равновесии с данным количеством элемента. Количество
растворенного в жидком металле кислорода будет тем меньше, чем
выше химическое сродство к кислороду данного элемента и больше
его концентрация в расплаве. Небольшие присадки титана и алю-
миния могут подавлять реакцию образования окиси углерода
в жидкой стали.
Кремний при достаточной его концентрации в расплаве также
способен подавить образование окиси углерода. Раскисляющая
сила углерода практически не изменяется с изменением темпера-
17*	259
Рис. 6-25. Раскислительная способ-
ность элементов при тем-
пературе 1600° С (А. М.
Самарии)
туры, тогда как раскисляющая
сила кремния при снижении
температуры возрастает. В рав-
новесных условиях при темпе-
ратуре затвердевания стали
кремний является лучшим рас-
кислителем, чем углерод. По-
этому кремний способен оста-
новить реакцию образования
окиси углерода и успокоить
кипение твердеющей стали. Свя-
занный с титаном, алюминием,
кремнием и другими сильными
раскислителями кислород уже не может взаимодействовать с уг-
леродом.
При сварке плавлением раскисление осуществляется путем
введения элементов-раскислителей в сварочную ванну из основ-
ного металла, сварочной проволоки, электродного покрытия,
керамического флюса и т. п. При наличии достаточного количества
сварочного шлака раскисление может осуществляться за счет
восстановления кремния и марганца из шлаковой фазы.
На пористость швов существенно влияет скорость кристалли-
зации сварочной ванны. При большой скорости кристаллизации
металла рост кристаллитов обгоняет рост и всплывание пузырька
газа, и пузырек запутывается в металле, в результате чего обра-
зуется пора. Снижение скорости сварки, увеличение объема сва-
рочной ванны, уменьшение теплоотвода в основной металл и уве-
личение его начальной температуры снижают скорость кристалли-
зации металла и уменьшают пористость швов. Некоторое влияние
оказывает и форма сварочной ванны. Повышение значения коэффи-
циента формы шва приводит к уменьшению вероятности возник-
новения пор, так как при этом улучшаются условия для всплы-
вания пузырьков в результате выдавливающего действия расту-,
щнх дендритов.
§ 6-5. Неметаллические включения
в сварных швах
Неметаллические включения не относятся к числу
дефектов сварных швов, но оказывают заметное влияние на их
качество и свойства. Рассмотрим различные типы неметалличе-
ских включений, встречающихся в сварных швах на стали.
Оксидные включения. В металле шва может содержаться
до 0,1% кислорода, находящегося в виде неметаллических оксид-
260
пых или смешанных включений. Химический и минералогический
составы этих включений зависят от химического состава металла
шва. При низком содержании кремния и марганца в металле шва
и отсутствии других легирующих элементов оксидные включения
содержат в основном FeO, остальное — SiO2 и МпО.
При повышении содержания кремния и марганца в металле
шва заметно увеличиваются концентрации окислов этих элементов
в составе оксидных включений, соответственно уменьшается
содержание в них окислов железа. Общее количество оксидных
включений в шве при этом также уменьшается. С увеличением
соотношения [% Si) : [% Мп] в металле шва содержание SiO2
во включениях растет, а МпО уменьшается.
Введение алюминия в металл шва уменьшает общее количество
оксидных включений и ведет к появлению в их составе герци-
нита FeO-Al2O3. Дальнейшее повышение содержания алюминия
сопровождается образованием включений глинозема А12О3. При
наличии хрома в шве образуются включения хромита FeO-Cr2O3;
продуктом раскисления сварочной ванны ванадием является-окись
ванадия V2O3. Низкая концентрация титана в металле шва ведет
к образованию включений титаната железа FeO-Ti2O3, при
высоком его содержании образуется оксид титана Ti2O3.
Выявленные в швах ручной дуговой сварки оксидные вклю-
чения по минералогическому составу можно разделить на сле-
дующие главные типы: 1) смешанные железо-марганцевые оксиды,
представляющие собой непрозрачные включения преимущественно
шарообразной формы. Их образованию способствует высокая окис-
ленность металла шва при низком содержании кремния и отсут-
ствии других активных раскислителей; 2) железо-марганцевые
силикаты, имеющие вид полупрозрачных округлых включений
с вкраплениями темных частиц; 3) стекловидный кремнезем (про-
зрачные частицы шарообразной или неправильной формы), встре-
чается преимущественно в хорошо раскисленных кремнием швах.
При сварке под флюсом вид и состав оксидных включений
зависят от состава флюса. В швах, сваренных под высококрем-
нистыми марганцевыми флюсами, включения преимущественно
представлены высококремнистыми и железо-марганцевыми си-
ликатами. Это округлые, прозрачные и сравнительно крупные
(0,002—0,02 мм) оксидные включения. Кроме того, в таких швах
много межкристаллитных силикатных пленок. На рис. 6-26 по-
казаны межкристаллитные силикатные пленки, выявленные в низ-
коуглеродистом шве при исследовании под электронным микро-
скопом. Пленки расположены на границах между кристаллитами
металла шва и иногда сливаются с круглыми оксидными вклю-
чениями.
При высококремнистых безмарганцевых флюсах во включениях
преобладают округлые бесцветные выделения стекловидного крем-
незема, наблюдаются и межкристаллитные силикатные пленки.
В швах, сваренных под низкокремнистыми и бескремнистыми
261
'	•	। Рис. 6-26. Межкристаллитные силй*
,	катные пленки в шве, сва-
ренном под высококремни-
стым марганцевым флюсом
на низкоуглеродистой ста-
ли; X 9000
"	флюсами, основную массу вклю-
чений составляют алюмосили-
каты и шпинели. При сварке
в защитных газах вид и состав
оксидных включений опреде-
ляются химическим составом
.	. ...	металла шва и содержанием
в нем кислорода. Кроме пере-
численных видов включений встречаются и другие. Оксидные
включения часто имеют неоднородный минералогический состав,
они также могут образовывать сложные кислородсодержащие
включения, например, оксисульфиды.
Оксидные включения и силикатные пленки снижают ударную
вязкость и хладостойкость металла шва на углеродистых и низко-
легированных сталях. В аустенитных швах силикатные пленки
уменьшают пластичность металла шва при испытаниях на растя-
жение и изгиб, не влияя, однако, на величину ударной вяз-
кости.
Сульфидные включения. В сварных швах на стали обычно со-
держится 0,02—0,04% S, образующей сульфидные включения.
На нетравленых шлифах эти включения имеют вид темных пятен,
чаще всего неправильной формы. Размер включений сильно возра-
стает в направлении от границы сплавления металла шва с основ-
ным металлом к середине шва. Наиболее крупные включения
наблюдаются в середине верхней части шва. При специальном
травлении шлифов выявляются сульфидные пленки и цепочки
мелких сульфидных включений, расположенные по границам
кристаллитов металла шва.
Состав, форма и размеры сульфидных включений зависят от
химического состава металла шва. В сульфидных включениях
сера в основном находится в виде соединений с железом и марган-
цем. Повышение содержания в шве марганца способствует пре-
имущественному связыванию серы в сульфид марганца MnS.
Окисление сварочной ванны окалиной уменьшает содержание MnS
во включениях и увеличивает содержание сульфида железа FeS.
При высоком содержании марганца в шве повышение количества
углерода уменьшает содержание MnS в сульфидных включениях.
При малом количестве марганца изменение концентрации углерода
мало влияет на связывание серы в форме MnS.
Кремний сильно уменьшает содержание сульфида марганца
во включениях. Наличие хрома в металле шва способствует свя-
зыванию серы в виде сульфида хрома или смешанных хромомар-
262
Рис. 6-27. Цепочка сульфидных в клю- ’у*. *4"
чений и сульфидная плен- ’* -•*♦» , 4 '* »•-	!
ка, послужившая причиной " ’
возникновения кристалли-
зационной трещины; X 1500
ганцевых сульфидов. Повыше-
ние содержания углерода в ме-
талле шва заметно увеличивает
размер сульфидных включений.
В зависимости от степени
раскисленности металла свароч-
ной ванны образуются суль-
фидные включения трех типов.
При окисленном металле, а так-
же в присутствии марганца, хрома и кремния преимущественно
образуются шаровидные оксисульфидные включения. Под влия-
нием небольших добавок сильных раскислителей (алюминия,
титана, циркония и др.) сульфидные включения приобретают вид
пленок и цепочек, расположенных по границам кристаллитов
металла шва. Введение алюминия и циркония в количествах,
больших необходимого для полного раскисления стали, может
вызвать превращение пленок и цепочек во включения угловатой
неправильной формы.
Наиболее опасными в отношении образования кристаллиза-
ционных трещин в сварных швах являются сульфидные пленки
и цепочки. На рис. 6-27 показаны расположенные по границам
кристаллитов низкоуглеродистого шва сульфидная пленка и це-
почка сульфидных включений. Сульфидная пленка дала начало
кристаллизационной трещине.
В связи с большей растворимостью серы в жидкой стали по
сравнению с кислородом в процессе охлаждения и затвердевания
металла сварочной ванны сульфидные включения образуются при
более низких температурах, чем оксидные. Поэтому сера может
выделяться на уже существующих оксидных включениях с обра-
зованием оксисульфидов. Аналогично образуются карбосульфид-
ные и другие сложные сульфидные включения.
Фосфорсодержащие включения. Содержание фосфора в свар-
ных швах на стали, как правило, невысокое — не больше 0,04—
0,06%. В швах на углеродистых и низколегированных сталях
фосфор преимущественно находится в твердом растворе, а не
в виде неметаллических включений. Это обусловлено низкой кон-
центрацией фосфора в металле швов и относительно высокой его
растворимостью в феррите. В связи с низкой растворимостью фос-
фора в аустените фосфорсодержащие включения значительно чаще
встречаются в швах с аустенитной структурой. В этих включениях
фосфор может находиться в виде фосфидов, фосфидных эвтектик
и фосфатов.
263
f
/ & *•
•8
_	ъ	*	фДНдД,
Рис. 6-28. Фосфидная эвтектика и горячая трещина на границе зерен основного
металла; X 800
Фосфидные включения имеют червевидную форму и распола-
гаются по границам кристаллитов металла шва. В зависимости от
направления сечения на шлифах они имеют вид межкристаллитных
прослоек или включений округлой формы. Фосфидные эвтектики
находятся в виде прослоек по границам кристаллитов металла шва
или зерен основного металла в околошовной зоне. Фосфидная эв-
тектика в зоне термического влияния марганцевой аустенитной ста-
ли Г13, показанная на рис. 6-28, расположена на границе двух
зерен, между которыми проходит горячая трещина.
Вредное влияние фосфора на свойства сварных соединений
заключается в снижении высокотемпературных характеристик
металла шва вследствие ослабления межкристаллитных границ
(при выделении легкоплавких включений) и в ухудшении механи-
ческих свойств швов при нормальной и низких температурах. По-
следнее обусловлено снижением пластичности металла в резуль-
тате растворения фосфора и наличием на границах кристаллитов
хрупких неметаллических прослоек. Так как растворимость фос-
фора в аустените ниже, чем в феррите, опасность образования кри-
сталлизационных трещин и снижения механических свойств ме-
талла шва значительно больше для швов с аустенитной структурой.
Для среднелегированных сталей вредное влияние фосфора и
серы в отношении образования кристаллизационных трещин уси-
ливается тем, что места ликвации этих элементов в металле шва
совпадают. Обогащенные фосфором участки феррита лежат по
границам первичных кристаллитов, где скапливаются и сульфид-
ные включения.
Нитридные включения. В зависимости от надежности защиты
зоны сварки от воздуха содержание азота в металле шва состав-
ляет 0,01—0,1%. Нитридные включения в сварных швах ветре-
264
чаются значительно реже, чем оксидные или сульфидные. Это
обусловлено низким содержанием азота в швах и меньшей стой-
костью нитридов при высоких температурах. Образование отдель-
ной нитридной фазы в жидкой стали возможно лишь в присут-
ствии сильных нитридообразующих элементов (титана, циркония).
В основном нитридные включения выделяются в процессе охла-
ждения или термообработки сварных соединений. Для их обра-
зования необходимо наличие в металле шва сравнительно высокой
концентрации азота, что возможно, например, при сварке откры-
той дугой без защиты или же при повышенном содержании азота
в основном металле.
Обычно в связи с быстрым охлаждением и низкой концентра-
цией азот в металле швов фиксируется в виде твердого раствора.
Если этот твердый раствор перенасыщен азотом, то при работе
сварных соединений в нормальных условиях или при нагреве
из него выделяются включения нитридов. Этим обусловлено так
называемое старение металла шва. Ввиду малой скорости диф-
фузии азота в твердом металле этот процесс проходит медленно.
В швах низкоуглеродистой стали с повышенным содержанием
азота иногда обнаруживаются иголки нитрида железа Fe4N
и железонитридный эвтектоид, так называемый браунит. Нитрид-
ные иголки наблюдаются лишь в швах, сваренных на воздухе
голым электродом или электродом с тонким покрытием.
§ 6-6. Прочие дефекты сварных соединений
Шлаковые каналы. Дефект представляет собой за-
полненную шлаком несплошность (рис. 6-29, а, б). Канал, как
правило, не выходит на поверхность шва. Ширина канала совпа-
даетсширинойзазорамежду свариваемыми кромками (рис. 6-29, а).
Расстояние между дефектами во многих случаях равно или кратно
длине сварочной ванны. Образуются шлаковые каналы главным
образом при сварке под флюсом в первом проходе двусторонних
стыковых швов, выполняемых на флюсовой или флюсомедной
подкладках. Иногда наблюдаются при сварке односторонних швов
с полным проваром кромок, значительно реже — при сварке угло-
вых швов.
Вероятность образования дефектов возрастает с увеличением
зазора. При зазоре до 3 мм дефекты подобного типа наблюдаются
весьма редко. После наложения шва со второй стороны канал
при малом его проникновении в толщу первого прохода полностью
заваривается, а при более глубоком залегании частично остается
в металле шва в виде округлого (рис. 6-29, в) или вытянутого по
высоте слоя шлакового включения.
Механизм образования шлаковых каналов еще недостаточно
ясен, что затрудняет изыскание рациональных путей их устра-
нения. На практике для снижения вероятности появления шлако-
вых каналов обычно прибегают к тем же средствам, что и для пре-
265
Рис. 6-29. Шлаковые каналы'
a — после сварки с одной стороны — разрез поперек шва.
б — то же — разрез вдоль шва,
в — после сварки с двух сторон
дупреждения образования пор. Очень похожие по конфигурации,
но не заполненные шлаком дефекты наблюдаются и при сварке в за-
щитных газах и покрытыми электродами.
Флокены. После разрушения образцов, вырезанных из металла
шва и испытанных на растяжение или изгиб, в изломе иногда обна-
руживают серебристые пятна круглой или овальной формы, на-
зываемые флокенами и имеющие более крупнокристаллическое
строение, чем остальная часть излома. В большинстве случаев по
середине флокена находится пора или шлаковое включение, яв-
ляющееся центром зарождения дефекта (рис. 6-30). Такой дефект
получил название «рыбий глаз». Образование флокенов связано
со снижением пластичности металла шва под влиянием водорода.
Швы на низколегированных хромоникелевых и хромоникеле-
молибденовых сталях менее стойки против образования флокенов,
чем швы, сваренные на углеро-
дистых конструкционных сталях.
В швах, сваренных на высоколеги- !
рованных хромоникелевых и мар-
ганцовистых сталях, образование
подобных дефектов не наблю-
дается. Наличие рассматриваемых
Рис. 6-30. Флокен	ЙГ	5
266
Рис. 6-31. Зона несплавления при дуговой сварке
дефектов приводит к некоторому снижению пластических свойств
металла образцов при статических испытаниях. Флокены могут
быть устранены путем нагрева образца перед испытанием до тем-
пературы 150—250° С, что способствует более полному удалению
водорода из металла. Тот же эффект достигается при длительном
вылеживании образцов перед испытанием.
Флокены образуются только в процессе разрушения образцов,
испытываемых непосредственно после сварки при статической на-
грузке, при напряжениях, в большинстве случаев близких к вре-
менному сопротивлению металла, и при всех условиях (даже при
повышенном содержании водорода в металле шва), превосходящих
его предел текучести. Следовательно, нет основания предполагать,
что при статическом нагружении в реальной конструкции могут
создаваться условия для образования в металле шва флокенов.
Зона несплавления. При дуговой и электрошлаковой сварке
в некоторых условиях образуется дефект, именуемый зоной не-
сплавления; он характерен отсутствием сплавления между основ-
ным металлом и металлом сварочной ванны по части периметра,
а иногда и по всему периметру шва (рис. 6-31, а и б). Несплавление
наблюдается при оплавлении кромок основного металла и доста-
точном объеме металла сварочной ванны. Дефект образуется при
дуговой сварке на повышенных скоростях и силах тока более
1500 А, а при электрошлаковой сварке даже в нормальном диа-
пазоне режимов. Начальной стадией дефекта являются глубокие
подрезы по границе шва с одновременным увеличением утолщения,
конечной его стадией — отсутствие сплавления практически по
всему периметру шва.
Образование зоны несплавления тесно связано с формирова-
нием сварочной ванны. Последнее может быть условно разделено
на две стадии — образование канавки в основном металле и по-
следующее заполнение ее металлом сварочной ванны. Если пленка
расплавленного металла, покрывающая поверхность канавки,
267
к моменту ее заполнения жидким металлом успела затвердеть,
а запас теплоты, накопленный в сварочной ванне, недостаточен
для повторного расплавления основного металла, смачивание
металлом сварочной ванны основного металла не происходит и
образуется зона несплавления
Для предотвращения появления подобных дефектов прибе-
гают к мерам, обеспечивающим уменьшение разрыва по времени
между образованием и заполнением канавки (сварка на спуск,
сварка наклонным электродом углом вперед, сварка двумя и тремя
дугами, сварка с подогревом и др ), а также получение благоприят-
ной формы провара. Обычно коэффициент формы шва, при котором
не наблюдается образование зоны несплавления, увеличивается
с возрастанием скорости сварки.
В большинстве случаев зазор, образовавшийся между основ-
ным металлом и металлом шва, заполнен затекшим туда шлаком.
Зону несплавления следует отличать от непровара и подреза,
имеющих другие причины появления.
Утяжины. При сварке под флюсом на больших скоростях
двумя и более дугами наблюдается образование своеобразных де-
фектов, получивших название утяжин. Утяжины представляют
собой расположенные друг от друга на расстояниях, примерно
равных длине сварочной ванны, усадочные рыхлости (трещины),
распространяющиеся на 2—3 мм в глубь шва и на 5—8 мм вдоль
его оси. Строение утяжин совпадает со строением усадочных рых-
лостей, образующихся в кратере шва. Можно предположить, что
появление утяжин связано с нарушением волнообразного поступ-
ления металла в хвостовую часть ванны.
Непровары. Непроваром называют местное отсутствие сплав-
ления между свариваемыми элементами, между металлом шва и
основным металлом или отдельными слоями при многослойном
шве. В зависимости от расположения и характера различают не-
провар по толщине основного металла (рис. 6-32, а—в, сварка
стыковых швов). При сварке стыковых швов с разделкой кро-
мок и угловых швов с разделкой и без разделки кромок на-
блюдается непровар вершины угла (рис. 6-33, а, б) и непровар по
кромке (рис. 6-33, в). При многослойной сварке швов всех типов
изредка встречается непровар между отдельными слоями. Место
непровара в большинстве случаев заполнено шлаком, который
благодаря жидкотекучести и более низкой температуре плавле-
ния заполняет образовавшуюся при непроваре несплошность
(рис. 6-33—6-34).
Непровар уменьшает сечение шва и вызывает значительную
концентрацию напряжений, что иногда может привести к образо-
ванию трещины (см. рис. 6-35). Непровар по толщине свариваемого
металла может быть вызван неправильным выбором режима сварки,
не предусматривающим достаточный запас глубины проплавления,
или нарушением режима сварки в процессе выполнения данного
шва (главным образом уменьшением силы тока). Причиной не-
268
Рис. 6-32. Непровар по толщине металла при сварке стыковых швов:
а — однослойный односторонний шов,
б — многослойный односторонний шов,
в — однослойный двусторонний шов
Рис. 6-33. Непровары вершины угла (а, б) и по кромке (в)
269
провара может также служить недостаточно точное направление
конца электрода по месту сопряжения кромок (рис. 6-36). Доволь-
но часто непровары наблюдаются в начале и в конце шва. Это
связано с тем, что глубина провара на этом участке вследствие
неустановившегося теплового процесса падает (рис. 6-37)
Неправильное возобновление процесса после его перерыва,
вызванного сменой электродов и сварочной проволоки или другими
причинами, приводит к непровару (рис. 6-38, а). При правильном
возобновлении процесса сварки, обеспечивающем достаточное пе-
рекрытие прерванного шва последующим, непровар в большинстве
случаев не наблюдается (рис.6-38,6). Для того чтобы предотвратить
непровар в начале и в конце шва, сварку следует начинать и за-
канчивать на специальных вы-
водных (концевых) планках или
применять особые приемы.
К непровару^ корня шва
приводят все перечисленные
выше причины, а также нару-
шения режима сварки, обуслов-
ливающие изменение положе-
ния первого слоя шва в раз-
Рис. 6-34. Непровар при сварке сты-
кового шва с обязательным
зазором
Рис. 6-35. Трещина, берущая начало
от непровара
270
Рис. 6-36. Непровар, возникший из-за неточного
направления дуги по оси соединения
делке. Наклон изделия или резкое измене-
ние скорости при сварке с разделкой кро-
мок может также вызвать непровар корня
шва. В этом случае жидкий металл зате-
кает перед дугой, что препятствует сплавлению его с холодным
основным металлом.
Непровар по кромке обычно является следствием изменения
формы шва из-за уменьшения напряжения дуги или увеличения
скорости сварки. Это приводит к несовпадению формы шва или
слоя с формой разделки или пространства, образовавшегося между
слоями. К тому же ведет недостаточно точное направление элек-
трода по отношению к свариваемым кромкам или слою (при этом шов
смещается на одну сторону, вторая кромка или слой не оплав-
ляются дугой), а также неправильная последовательность наложе-
ния слоев при многослойной сварке. Во всех случаях основной
металл не расплавляется, в результате чего образуется непро-
вар.
При электрошлаковой сварке наблюдаются непровары по двум
кромкам (рис. 6-39, а), по одной кромке (рис. 6-39, б) и местные
непровары у поверхности соединяемых элементов (рис. 6-39, в)
или по середине шва. Непровар по двум кромкам вызван малой
шириной шва, что связано с низким напряжением или высокой
скоростью сварки. Непровар по одной кромке вызван неточным
ведением электрода по оси соединения, из-за чего шов смещается
на одну из кромок, а вторая кромка не оплавляется.
Непровар у поверхности свариваемых деталей возникает при
увеличении расстояния от конечного положения электрода до
ползуна и при малой продолжительности остановки электрода
в конечном положении. Непровар по середине деталей по их тол-
щине при сварке двумя подвижными электродами является след-
ствием излишне большого расстояния между последними или
«виляния» конца электрода из-за его перегрева. Участок шва
с непроваром, превосходящим регламентируемую соответствую-
щими техническими документами величину, должен быть удален
и заварен заново.
Рис. 6-37. Уменьшение провара в начале (а) и конце (б) шва
271

Рис. 6-38. Конфигурация провара при неправильном (а) и правильном (6)
возобновлении процесса сварки
Подрезы. Подрезом называют местное уменьшение толщины
основного металла у границы шва. Подрез приводит к резкой
концентрации напряжений в тех случаях, когда он расположен
перпендикулярно к направлению главных напряжений, действую-
щих на сварное соединение Для конструкций, работающих при
вибрационных нагрузках, подрез существенно снижает прочность
сварного соединения. Наиболее часто подрезы возникают при
сварке угловых швов и первых слоев многослойных стыковых
швов (рис. 6-40).
Значительно реже подрезы образуются при сварке однослойных
стыковых швов с разделкой и без разделки кромок. Подрезы
могут быть двусторонними, т. е. располагаться с двух сторон шва,
или односторонними, т. е. располагаться с одной стороны шва.
Типичными являются двусторонние подрезы. При сварке угловых
швов наклонным электродом или с оплавлением кромки иногда
наблюдается односторонний подрез с наплывом металла на гори-
зонтально расположенную деталь (рис 6-40, в).
В большинстве случаев подрез является следствием излишне
высокого напряжения дуги или недостаточно точного ведения
электрода по оси соединения. В первом случае часть канавки, вы-
плавленной дугой в основном металле, не заполняется металлом
сварочной ванны Если же ширина канавки меньше, чем ширина
шва, который может сформироваться при данном количестве до-
полнительного металла, образуется выпуклый шов (рис. 6-41).
При неточном ведении электрода происходит более глубокое про-
плавление одной из кромок и металла сварочной ванны не хватает
для полного заполнения образовавшейся канавки. При сварке
наклонным электродом или вертикальным электродом с оплавле-
нием кромки образование подреза облегчается стеканием металла
272
Рис. 6-39. Непровары по кромке при электрошлаковой сварке
на горизонтально расположенную деталь Образование подрезов
при сварке стыковых швов без разделки кромок связано также
с плохим растеканием металла.
При электрошлаковой сварке подрезы возникают на поверх-
ности свариваемых деталей, соприкасающихся с ползунами, при
повышении напряжения процесса, увеличении продолжительности
остановки электрода в конечном положении и плохом охлаждении
ползунов.
18 Заказ 782	2 73
Рис. 6-40. Подрезы:
а — двусторонний при сварке углового шва;
б — двусторонний прн сварке первого слоя многослойного стыкового шва;
в — односторонний с наплывом на вторую кромку при сварке углового шва
Если размеры подреза превосходят допускаемые, острую грань
его следует сглаживать механическим путем для создания плав-
ного перехода от основного металлами металлу шва. Если глубина
подреза превосходит 1—2 мм (в зависимости от толщины основного
металла), то дефектный участок заваривают. Заваривать следует
швом достаточного сечения. Подрезы, образовавшиеся в глу-
бинных слоях многослойного шва, если они не были заварены
при наложении последующих слоев, являются внутренним де-
фектом. Такие подрезы, как правило, заполнены шлаком, затек-
шим в образовавшуюся при подрезе полость.
Наплывы. Наплывом называют натекание металла шва на по-
верхность основного металла без сплавления с ним. Наплывы на-
блюдаются преимущественно при сварке однослойных стыковых
швов без разделки кромок и при сварке угловых швов наклонным
электродом или с оплавлением кромки и при наплавке (рис. 6-42).
Наплыв, изображенный на рис. 6-42, а, иногда называют грибо-
видностью. Возникают наплывы при неправильном выборе режима
сварки или наличии на свариваемых кромках толстого слоя
окалины.
Рис. 6-41. Выпуклый шов:
а — угловой;
б — стыковой
274
Рис. 6-42. Наплыв при сварке шва
а — стыкового,	б — углового
Для предупреждения образования наплыва следует увеличить
ширину шва, повысив напряжение дуги, или уменьшить коли-
чество металла, образующего усиление. Это достигается путем
размещения металла в зазоре между свариваемыми кромками или
в разделке. Наплывы — это внешний дефект, но из-за натекания
металла на кромку выявление их при осмотре шва затруднено.
При электрошлаковой сварке наплывы образуются при неплотном
поджатии ползунов и тогда, когда выемка в ползуне значительно
превосходит ширину шва. В этом случае металл, заполняющий вы-
емку, не сплавляется с холодным основным металлом. Устраняют
наплывы механическим удалением избыточного металла.
Прожоги. Прожогами называют полости в шве, образовав-
шиеся в результате вытекания сварочной ванны. Прожоги воз-
никают при избыточной силе тока, увеличении зазора между
свариваемыми кромками, изменении положения (наклона) элек-
трода или изделия и неплотном прилегании флюсовой, флюсомед-
ной или стальной подкладки к свариваемым листам. Прожоги об-
наруживаются при внешнем осмотре. Это недопустимый дефект
сварного соединения. Места прожогов должны быть зачищены и
заварены заново. На рис. 6-43 показан прожог, образовавшийся
при выполнении однослойного шва на флюсовой подушке. Началь-
Рис. 6-43.
Прожог (обратная сторо-
на шва)
18*
275
Рис. 6-44. Провисание шва
Рис. 6-45. Трещина в кратере шва
ной стадией прожога является провисание шва, наблюдаемое
при односторонней сварке (рис. 6-44). При сварке тонкого металла
иногда образуются специфические дефекты, внешне похожие на
прожоги, но не связанные с вытеканием сварочной ванны Природа
их образования пока не выяснена.
Кратер. Кратером называют углубление, образующееся после
обрыва дуги в конце шва. На участке кратера шов имеет умень-
шенное сечение. В кратере, как правило, обнаруживаются усадоч-
ные рыхлости, часто переходящие в трещину (рис. 6-45). Длина
кратера в зависимости от режима сварки составляет 20—200 мм.
При механизированных видах сварки кратер образуется только
в конце данного шва, который, как правило, выводят на выводную
планку. При сварке вручную кратер возникает в конце участка
шва, сваренного каждым отдельным электродом.
Для того чтобы заполнить кратер и переварить его участок,
в котором возможно возникновение трещин, процесс сварки сле-
дует вести так, как это представлено на рис. 6-38, б. В особо от-
ветственных конструкциях металл шва на участке кратера сле-
дует удалять механическим путем или выплавлять. Если сварку
вручную ведут без выводных планок, то кратер в конце шва не-
обходимо тщательно заваривать и обрывать дугу на заваренном
участке шва. Не следует выводить кратер на основной металл,
так как это приводит к образованию подрезов и ожогов.
Шлаковые включения. Шлаковыми включениями называют
видимые невооруженным глазом округлые или вытянутые вклю-
чения шлака, расположенные в металле шва как у границы сплав-
ления, так и между отдельными слоями или в вершине провара.
Они обычно образуются в результате заполнения сварочным шла-
ком цесплошностей, возникающих
при непроварах или подрезах.
При многопроходной дуговой
сварке шлаковые включения иногда
обнаруживаются на участках, где
недостаточно тщательно была выпол-
Рис. 6-46. Ожоги на поверхности основною
металла
276
йена очистка поверхности предыдущего слоя от шлаковой корки.
Значительно реже шлаковые включения образуются в сечении
однослойного шва или отдельного слоя.
Шлаковые включения относятся к внутренним дефектам шва.
Участки шва, где их величина превышает допускаемую техниче-
скими условиями на данный вид продукции, вырубают и завари-
вают заново.
Ожоги. Ожогами называют небольшие участки подвергавше-
гося расплавлению металла на основном металле вне сварного шва
(рис. 6-46). Эти участки обладают пониженной пластичностью.
Возникают ожоги в результате возбуждения дуги с целью осво-
бождения конца электрода от обмазки, при контакте поверхности
находящегося под напряжением держателя с изделием и при вы-
воде кратера за пределы шва на основной металл. Ожоги отно-
сятся к внешним дефектам.
Неравномерность ширины шва. Ширина шва обычно изме-
няется в результате резких колебаний напряжения дуги или ско-
рости сварки. Значительные изменения ширины шва сопрово-
ждаются изменением глубины проплавления, что может привести
к непровару.
§ 6-7. Влияние технологических дефектов
на прочность сварных соединений
при статических и переменных нагрузках
Опыт эксплуатации сварных конструкций показы-
вает, что технологические дефекты могут существенно снижать
работоспособность сварных соединений. В конструкциях, рабо-
тающих в условиях статического нагружения, дефекты нередко
становятся очагами хрупких трещин, возникающих при низких
уровнях рабочих напряжений (страз < от), а в конструкциях,
работающих при переменных нагрузках, они снижают предел вы-
носливости сварных соединений. Механизм влияния дефектов на
прочность в обоих случаях различен, в связи с чем влияние
дефектов на прочность в условиях статического и динамиче-
ского нагружения рассмотрено отдельно.
Влияние дефектов на статическую прочность сварных соеди-
нений. Острые трещиноподобные дефекты (трещины, непровары,
несплавления, подрезы) нередко становятся очагами хрупких
разрушений. Вместе с тем далеко не каждый дефект представляет
опасность в этом отношении. Для определения надежности свар-
ных конструкций и установления требований, предъявляемых
к качеству сварных соединений, необходимо располагать сведе-
ниями о влиянии наиболее вероятных дефектов на прочность со-
единений в условиях, близких к реальным.
Принято считать, что дефекты ослабляют рабочее сечение
соединений, вызывают в них концентрацию напряжений и объем-
ность напряженного состояния. При этом полагают, что механиче-
277
fa ъ б	х Рис. 6-47. Влияние температуры на прочность
1 Cf нт	?	сварных швов с малым плоским де-
Г_____________________~	фектом (erg. р — разрушающие на-
I /	пряжения по сечению брутто; <тн. т —
j J	то же по сечению нетто):
|	/	а — металл шва в исходном состоянии:
|	/	б — металл охрупчен
1—/7
I	ские свойства материала в зоне дефекта
।_______I__________>. изменяются незначительно. При такой
-100 -SO	°C ситуации реальную угрозу для конст-
рукций, работающих в условиях есте-
ственно низких температур (до —60° С), могут представлять
дефекты относительно больших размеров. Другими словами,
когда материал сварного соединения обладает большим запасом
вязкости, основное влияние на прочность оказывает относительная
величина дефекта. Это подтверждается целым рядом исследова-
ний, проведенных в нашей стране и за рубежом.
При более низких температурах картина существенно изме-
няется: основным фактором, определяющим прочность, становится
интенсивность напряжений в зоне дефекта. Зависимость величины
номинальных разрушающих напряжений от температуры в этом
случае можно представить таким образом: при положительных и
естественно низких температурах (вплоть до —60° С) разруше-
ния имеют вязкий и квазихрупкий характер, а разрушающие
напряжения превышают величину предела текучести мате-
риала.
В дальнейшем, по мере снижения температуры, вязкость ма-
териала продолжает уменьшаться, и в конце концов наступает
момент, когда релаксация напряжений у вершины дефекта ста-
новится невозможной. В этих условиях хрупкая трещина возни-
кает и распространяется при низком уровне номинальных напря-
жений (рис. 6-47, кривая а). Температура, при которой начинает
наблюдаться это явление, называется нижней критической. Она
зависит от ряда факторов и прежде всего от пластических свойств
металла шва.
Казалось бы, при естественно низких температурах не следует
опасаться дефектов относительно малых размеров, однако прак-
тика показывает, что хрупкие разрушения от таких дефектов
все же наблюдаются. Достаточно сказать, что почти 40% разру-
шений транспортных судов США периода военной постройки на-
чинались от технологических дефектов швов и, что характерно,
очагом этих разрушений часто были очень малые дефекты. Подоб-
ные разрушения свидетельствуют о существовании других фак-
торов, способствующих повышению чувствительности металла
швов к технологическим дефектам. Схематически это влияние
можно представить изменением положения нижней критической
температуры (рис. 6-47, кривая б), соответствующей резкому сни-
жению прочности сварного соединения.
278
Вероятно, это связано с Тем, что Локальные механические
свойства материала в зонах дефектов претерпевают изменения.
Наиболее часто эти изменения связаны с деформационным старе-
нием стали, значительно снижающим ее сопротивление возник-
новению хрупкой трещины. Иногда уменьшение вязкости мате-
риала обусловлено водородным охрупчиванием. В связи с этим
рассмотрим наиболее характерные условия, способствующие ло-
кальному охрупчиванию швов в зоне дефектов, и их влияние на
прочность сварных соединений.
Влияние предварительного нагружения. Ухудшение пласти-
ческих свойств стали у вершин дефекта на практике может быть
связано с естественным старением металла в зонах концентрации
пластических деформаций, возникающих при предварительной
перегрузке конструкций. Характерным примером может служить
экспандирование сварных труб, когда общие деформации сравни-
тельно невелики (1,2—1,6%), в то время как местные деформации
могут достичь значительной величины (10% и более).
В качестве примера на рис. 6-48 показана зависимость вели-
чины номинальных разрушающих напряжений от температуры,
полученная при испытании образцов-пластин из стали ВСтЗсп
(рис. 6-49) со стыковыми швами, выполненными электро-
дами ОММ5. Примерно одинаковые размеры непроваров в этих
образцах обеспечивались увеличением притупления кромок в цен-
тральной части пластин. Охрупчивание металла вследствие пла-
стического деформирования и последующего старения стали по-
вышает чувствительность сварного соединения к технологи-
ческим дефектам и увеличивает опасность образования разрушений
от них.
Влияние термопластических деформаций. Во время остывания
сварного соединения в зоне дефекта могут возникать термопла-
стические деформации, вызывающие динамическое старение ме-
талла. В результате происходит локальное охрупчивание и,
как следствие, снижение сопротивляемости металла возникнове-
нию хрупких трещин. Подобные условия наблюдаются, например,
в том случае, когда дефект расположен на участке замыкания коль-
цевых швов или ступеней при обратноступенчатой сварке. Наряду
с протеканием термопластических деформаций в подобных случаях
возникают и высокие растягивающие остаточные напряжения.
Более опасными с точки зрения возникновения хрупких разруше-
ний являются непровары, подвергающиеся повторному нагреву.
В качестве примера на рис. 6-50 представлены результаты
испытания двух серий образцов из стали ВСтЗсп с непроварами
в поперечном стыковом шве, выполненном электродами ОММ5.
Образцы первой серии сварены напроход, в образцах второй серии
первоначально сварены крайние участки шва, а после их осты-
вания — средний участок (см. рис. 6-49). Прочность образцов
в случае сварки напроход оказалась достаточно высокой во всем
диапазоне температур испытаний (включая —60° С), а в случае
279
6т, кЪС/мм‘г
Рис. 6-48. Зависимость
образцов:
разрушающих напряжений от температуры испытания
а — со сквозным надрезом;	— с внутренним непроваром;
1 — образцы не подвергались предварительной обработке,
2— образцы после общей деформации растяжением на 0,4% и после-
дующего искусственного старения прн температуре 250° С в тече-
ние 2 ч;
2' — образцы после общей деформации растяжением на 2 — 2,2% и после-
дующего старения при температуре 250° С в течение 2 ч,
3 — О’ металла шва при комнатной температуре
секционного выполнения швов резкое уменьшение прочности
наблюдалось уже при температуре —20° С. Это можно объяснить
охрупчиванием металла в зоне дефекта, связанным со старением
стали, сопутствующим протеканию термопластических деформа-
ций, и действием высоких растягивающих остаточных напря-
жений.
Влияние водородного охрупчивания. В процессе сварки нередко
происходит обогащение сварных соединений водородом. Интен-
сивность этого процесса зависит от стечения ряда обстоятельств,
среди которых особую роль играет пластическое деформирование
металла. В подобных условиях поглощаемость водорода сталью
возрастает почти в 100 раз. В связи с этим охрупчивание стали
у вершин дефектов-концентраторов термопластических деформа-
ций может усугубляться водородным охрупчиванием.
Данные, полученные при испытании образцов, показанных на
рис. 6-49, свидетельствуют о том, что увеличение содержания во-
дорода в шве существенно повышает чувствительность соединения
к непровару (рис. 6-51). Образцы изготовляли из стали 09Г2С
с непроварами в поперечном стыковом шве, выполненном секционно
электродами УОНИ-13/55. Прочность обогащенных водородом
соединений (сварка осуществлялась электродами с увлажненным
покрытием) значительно снижалась уже при температуре —15° С,
в то время как прочность соединений, выполненных просушенными
электродами, оказалась достаточно высокой во всем диапазоне
естественно низких температур.
280
сварки
Влияние охрупчивания, связанного с увеличением содержания
углерода в швах. При сварке среднеуглеродистых сталей наблю-
даются случаи повышения содержания углерода в металле швов,
в частности при некачественной очистке кромок после воздушно-
дуговой резки угольным электродом. С повышением содержания
углерода уменьшается вязкость металла, и можно ожидать, что
чувствительность швов к технологическим дефектам в этом случае
будет повышенной. Испытания образцов из стали 17ГС с острым
искусственным надрезом в поперечном стыковом шве (см. рис. 6-49),
сваренном специальными электродами, подтвердили такое пред-
положение. С увеличением содержания углерода чувствительность
шва к острым концентраторам напряжений возрастает (рис. 6-52).
Это проявляется как в повышении температуры, соответствующей
переходу металла из вязкого в хрупкое состояние, так и в повы-
шении критической температуры, при которой прочность сварного
соединения начинает резко снижаться.
Так обстоит дело, если сварные соединения, включающие ост-
рые трещинообразные дефекты, работают в условиях статического
нагружения при положительных и естественно низких темпера-
турах. Что касается других дефектов, таких как поры и шлаковые
281
Рис. 6-50.
Зависимость прочности от тем-
пературы испытания образцов:
а — с внутренним непроваром
в шве, выполненном напро-
ход,
б — то же при секционной сварке;
в — предел текучести металла шва
при комнатной температуре
включения, их влияние
на прочность становится
существенным только при
значительном ослаблении
рабочего сечения или при
значительном уменьшении пластичности сварных соединений.
Влияние дефектов на усталостную прочность сварных соеди-
нений. При значительных переменных напряжениях прочность
сварных соединений определяется их сопротивлением усталостным
разрушениям. Последние обычно характеризуются пределом вы-
носливости, который зависит от концентрации напряжений, соз-
даваемой формой соединения или дефектом сварки, от величины
и знака остаточных напряжений, а также от свойств применяемых
материалов. Технологические дефекты — подрезы, непровары,
несплавления и трещины создают значительную концентрацию
напряжений и снижают долговечность соединений. При опреде-
ленных условиях дефекты типа пор и шлаковых включений,
не опасных при статическом нагружении, могут вызвать прежде-
временные усталостные разрушения. Ниже приведены данные
Рис. 6-51.
Зависимость прочности от темпера-
туры образцов с внутренним непро-
варом, выполненных секционной
сваркой:
а — электродами УОНИ-13/55, просу-
шенными перед сваркой;
б — электродами с увлажненным по-
крытием;
в — предел текучести металла шва при
комнатной температуре
Рис. 6-52.
Зависимость величины номинальных
разрушающих напряжений от темпера-
туры образцов со сквозным надрезом
при содержании углерода в шве:
а — 0,10%;
б — 0,18%;
в — 0,30%;
г — ат металла шва при 20’ С
282
О влиянии непроваров, подрезов и пор на усталостную прочность
сварных соединений с учетом упомянутых факторов.
Влияние непроваров. Непровары создают резкую концентрацию
напряжений и вызывают существенное снижение выносливости
стыковых соединений. Так, например, составляя всего 10% тол-
щины сечения, непровар может понизить усталостную прочность
соединения наполовину, а при глубоких непроварах, занимающих
40—50% толщины шва, пределы выносливости для стали сни-
жаются, например, с 15 до 6,0 кгс/мм2 (рис. 6-53). Долговечность
возрастает с уменьшением глубины непровара и увеличением ра-
диуса его вершины.
Дополнительное влияние могут оказывать остаточные напря-
жения. Один и тот же дефект по-разному изменяет усталостную
прочность соединения в зависимости от того, в каком поле оста-
точных напряжений он находится. Располагаясь в поле сжимаю-
щих остаточных напряжений, непровар в меньшей степени снижает
усталостную прочность по сравнению с тем случаем, когда он на-
ходится в поле растягивающих остаточных напряжений (рис. 6-54).
Совпадение места залегания непровара с участком поля вы-
соких растягивающих остаточных напряжений приводит к даль-
нейшему снижению усталостной прочности. Пределы выносливости
стыкового соединения на сталях снижаются до 5,0 кгс/мм2 при
Рис. 6-53.
Влияние глубины непровара на
предел выносливости стыковых сое-
динений:
а — непровар в швах с Х-образной
разделкой на стали СтЗ, 6 =
= 18 мм; испытания на растяже-
ние при г — 0,2;
б — непровар в корне стыкового шва
образцов из стали СтЗ; испытания
на изгиб при сим метричном цикле
пульсирующих напряжениях и до
2,5 кгс/мм2 при знакопеременных
напряжениях. В этом случае
Рис. 6-54.
Влияние остаточных напряжений на пре-
дел выносливости стыковых соединений
с непроваром при пульсирующих циклах,
сталь 09Г2С, электроды УОНИ-13/45:
а — непровар расположен в поле сжимающих
остаточных напряжений, равных 8 —
11 кгс/мм2;
б — непровар расположен в поле растяги-
вающих остаточных напряжений, рав-
ных 1—5 кгс/мм2,
в — непровар расположен в поле высоких
растягивающих остаточных напряжений
свыше 16 кгс/мм2	а
283
влияние размеров дефекта несущественно. Малый непровар ста-
новится столь же опасным, как и большой (рис. 6-55).
При прочих равных условиях сопротивление дефектных соеди-
нений усталостным разрушениям предопределяется свойствами
металла шва и, в частности, содержанием в нем остаточного во-
дорода. В этой связи предпочтения заслуживают электроды с ос-
новным покрытием или другие сварочные материалы, обеспечи-
вающие низкое содержание водорода в металле шва.
Иллюстрацией могут служить результаты испытания однотип-
ных образцов, сваренных электродами 48Н-1 и УОНИ-13/45
с основным покрытием и электродами АНО-4 с рутил-карбонатным
покрытием. Стыковые образцы в средней части шва имели не-
провары глубиной 5 мм и протяженностью 50 мм. Соединения,
выполненные электродами с основным покрытием, имеют более
высокий предел выносливости, чем сваренные электродами с рутил-
карбонатным покрытием, хотя данные на рис. 6-56 для электро-
дов 48Н-1 несколько завышены. Этот эффект следует исполь-
зовать с целью увеличения долговечности и предотвращения преж-
девременных усталостных разрушений сварных соединений, если
в них нельзя гарантировать отсутствия дефектов.
Рис. 6-56. Влияние свойств металла шва на предел выносливости стыковых
соединений с непроварами:
а — электроды 48Н-1, класс Э60А;	в — электроды АНО-4
б — электроды УОНИ-13/45;
284
Рис. 6-57.
Влияние подрезов на предел выносли-
вости стыковых соединений из стали
09Г2С, сваренных проволокой Св-08ГА
под флюсом АН-348А:
а — шов без дефектов;
б — шов с подрезом глубиной 1 —1,5 мм,
остаточные растягивающие напряже
ния ниже 1000 кгс/см2;
в — образцы с подрезами глубиной 2—
3,5 мм, остаточные напряжения ни-
же 1000 кгс/см2,
г — образцы с подрезами глубиной 2 —
3,5 мм, остаточные напряжения
1500 — 2000 кгс/см2,
О — образцы толщиной 20 мм, • — об-
разцы толщиной 30 мм
Подрезы. Усталостная прочность швов с подрезами зависит
от глубины подреза, уровня остаточной напряженности и вида
соединения. В случае стыковых соединений влияния концентрации
напряжений и остаточных напряжений могут быть соизмеримыми.
На рис. 6-57 приведены результаты испытания образцов с под-
резами различной глубины, расположенными в зонах высокой и
сравнительно низкой остаточной напряженности. Под влиянием
изменения глубины подреза с 1—1,5 мм до 2—3,5 мм предел вы-
носливости снижается дополнительно на 15%. Падение предела
выносливости такого же порядка наблюдалось и в результате
изменения растягивающих остаточных напряжений с 5,0 до
20 кгс/мм2. Суммарное влияние этих факторов может привести
к снижению предела выносливости соединения вдвое.
Поры. Для проявления влияния пор существенное значение
имеет вид соединения. В длинных продольных швах растягиваю-
щие остаточные напряжения достигают обычно предельных зна-
чений и пора может быть единственным концентратором напряже-
ний. Такое сочетание может оказаться более опасным, чем нахо-
ждение поры в коротких поперечных швах, поскольку остаточные
напряжения в них невелики. В этой связи поры становятся очагами
усталостных разрушений чаще всего в соединительных угловых
и стыковых швах, а также в поперечных стыках на участках вы-
соких растягивающих остаточных напряжений. В то же время
пористость практически не влияет на выносливость нахлесточных
соединений, форма которых и без того создает высокую концен-
трацию напряжений. Размеры пор играют меньшую роль в изме-
нении долговечности сварного соединения, чем место нахождения
поры. Внутренние поры опаснее выходящих на поверхность.
Предел выносливости швов с порами на участках высоких
растягивающих остаточных напряжений составляет 11 кгс/мм2
при пульсирующем цикле и 5 кгс/мм2 при симметричном цикле
(стали низкоуглеродистые и низколегированные).
Сварочные
материалы
Сварочными или присадочными называются мате-
риалы, обеспечивающие возможность протекания сва-
рочных процессов и получение качественного свар-
ного соединения. При электрической сварке плавле-
нием применяются сварочные материалы различной
формы, состава и назначения. Рассмотрим наиболее
широко применяемые из них.
§ 7-1. Сварочные проволоки,
стержни и пластины
Сварочные проволоки, а также плавящиеся и непла-
вящиеся электродные стержни другой формы служат
для подвода электрического тока в зону сварки.
Кроме того, сварочные проволоки, плавящиеся элек-
тродные стержни, пластины и ленты, расплавляясь
в процессе сварки, служат дополнительным метал-
лом, участвующим в образовании шва.
Стальные сварочные проволоки. При дуговой
сварке под флюсом и в защитных газах, а также при
электрошлаковой сварке применяют сварочную про-
волоку без покрытия, так называемую голую свароч-
ную проволоку. Для ручной дуговой сварки про-
волоку рубят на стержни длиной 350—400 мм, затем
на их поверхность наносят покрытие. Плавящийся
электродный стержень с нанесенным на его поверх-
ность покрытием называют сварочным электродом
(см. § 41). При сварке цветных металлов, чугуна
и в некоторых специальных случаях применяют
также литые электродные стержни.
Поверхность сварочной проволоки должна быть
чистой и гладкой, без окалины, ржавчины, масла
и других загрязнений. По виду поверхности прово-
лока подразделяется на неомедненную и омеднен-
ную. Омеднение поверхности проволоки улучшает
электрический контакт между проволокой и токо-
286
подводящим устройством, а также снижает возможность ее ржав-
ления. Для предотвращения загрязнения проволоку упаковы-
вают в водонепроницаемую бумагу. Обернутые в бумагу мотки,
бухты или катушки проволоки упаковывают при диаметре про-
волоки 0,3—0,8 мм в жесткую тару, выложенную слоем водо-
непроницаемой бумаги; при диаметре проволоки более 0,8 мм—
в полимерную или полиэтиленовую пленку или же в тарную
ткань.
Сварочную проволоку следует транспортировать в чистых
крытых вагонах, контейнерах или автофургонах, предохраня-
ющих ее от загрязнения и воздействия атмосферных осадков.
Хранить ее необходимо в сухом, закрытом помещении в условиях,
не допускающих ее ржавления, загрязнения и механических по-
вреждений. В случае загрязнения сварочной проволоки ее очи-
щают опескоструиванием, травлением или протягиванием через
очистные устройства. Каждая партия проволоки снабжена серти-
фикатом завода-изготовителя, в котором указаны марка прово-
локи, результаты химического анализа и других испытаний,
масса и номер партии и т. д.
Стальную сварочную проволоку изготовляют по ГОСТ 2246—70
и по специальным техническим условиям. В зависимости от хими-
ческого состава проволока, выпускаемая по ГОСТ 2246—70,
разделяется на низкоуглеродистую, легированную и высоколеги-
рованную. Всего в этот ГОСТ включено 77 марок сварочной про-
волоки диаметром 0,3—12 мм. Проволока диаметром до 5 мм вклю-
чительно предназначена для механизированных способов сварки,
поставляется в мотках прямоугольного сечения, пригодных для
непосредственного (без перемотки) использования в сварочных
автоматах и полуавтоматах. Размеры мотков в зависимости от
диаметра проволоки должны соответствовать нормам, приведенным
в табл. 7-1.
В условные обозначения марок проволоки входит индекс Св
(сварочная) и следующие за ним цифры и буквы. Цифры, следу-
ющие за индексом Св, указывают среднее содержание углерода
в сотых долях процента. Так же, как и при обозначении марок
стали, легирующие элементы, входящие в состав проволок, обо-
значены буквами в соответствии с табл. 7-2.
Таблица 7-1
Размеры мотков проволоки для механизированной сварки
Размеры мотков, мм	Диаметр проволоки, мм				
	0,8—1,6	1,6—2,0	2,0—3,0	3,0	1,6—5,0
Наружный диаметр	175	250	320	320	600
Внутренний диаметр	100	175	220	260	400
Высота		50	85	85	90	90
287
Таблица 7-2
Условные обозначения легирующих элементов
Элемент	Условное обозна- чение элемента при мар- кировке про- волоки	Элемент	Условное обозна- чение элемента при мар- кировке про- волоки	1 Элемент	Условное обозна- чение элемента при мар- кировке про- волоки
Азот	А *	Кобальт	к	Никель	н
Алюминий	Ю	Кремний	с	Ниобий	Б
Бор	Р	Марганец	г	Селен	Е
Ванадий	Ф	Медь	д	Титан	Т
Вольфрам	В	Молибден	м	Хром	X
* Только в высоколегированных проволоках. Ставить в конце обозначения марки
не допускается.
Цифры, следующие за буквенными обозначениями химических
элементов, указывают среднее содержание элемента в процентах.
Если содержание легирующего элемента менее 1%, то ставится
только соответствующая буква. Буква А на конце условных
обозначений марок низкоуглеродистой и легированной проволок
указывает на повышенную чистоту металла по содержанию серы
и фосфора. В проволоке марки Св-08АА содержится не более
0,02% S и не более 0,02% Р. Условное обозначение сварочной
проволоки состоит из цифры, обозначающей диаметр проволоки
в миллиметрах, букв Св, условного обозначения марки проволоки
и номера ГОСТа. Например, проволока сварочная диаметром 3 мм
марки Св-08А, предназначенная для сварки (наплавки), с неомед-
ненной поверхностью: проволока 3 Св-08А ГОСТ 2246—70.
Если проволока поставляется с омедненной поверхностью, то
после марки проволоки ставится буква О. Буква Э обозначает,
что проволока предназначена для изготовления электродов.
Буквы Ш, ВД или ВИ обозначают, что проволока изготовлена
цз стали, выплавленной электрошлаковым или вакуумнодуговым
переплавом или же в вакуумноиндукционных печах.
Проволоки Св-08, Св-08А и Св-08АА изготовляют из кипящей
стали. Остальные три марки низкоуглеродистой сварочной про-
волоки изготовляют из полуспокойной стали. Как видно из
табл. 7-3, низкоуглеродистые сварочные проволоки в основном
отличаются друг от друга содержанием марганца, серы и фосфора.
В сварочных легированных проволоках может содержаться
до шести легирующих элементов, а их общее количество дости-
гает 6% (табл. 7-4). Эти проволоки применяют для различных
видов сварки углеродистых и легированных сталей. Так, напри-
мер, их можно использовать для изготовления электродных
288
Таблица 7-3
Состав низкоуглеродистых сварочных проволок (ГОСТ 2246—70), %
Марка	С		Si	Сг	N1	S	р	Л,
проволоки	не более				не более			
Св-08	0,10	0,35—0,60	0,03	0,15	0,30	0,040	0,040	0,01
Св-08А	0,10	0,35—0,60	0,03	0,12	0,25	0,030	0,030	0,01
Св-08АА	0,10	0,35—0,60	0,03	0,10	0,25	0,020	0,020	0,01
Св-08ГА	0,10	0,80—1,10	0,03	0,10	0,25	0,025	0,030	.—.
Св-ЮГА	0,12	1,10—1,40	0,03	0,20	0,30	0,025	0,030	—
Св-10Г2	0,12	1,50—1,90	0,03	0,20	0,30	0,030	0,030	—
стержней, сварки в защитных газах и под флюсом. Проволоки
Св-15ГСТЮЦА и Св-20ГСТЮА применяют для дуговой сварки
без дополнительной защиты. Проволоки, легированные кремнием
и марганцем (Св-08Г2С, Св-08ГС), применяют для сварки кон-
струкционных сталей в окислительных защитных газах. Про-
волоки Св-08ХНМ, Св-08ХН2М, Св-08ХМФА, Св-08ХГСМФА
и другие, комплексно легированные хромом, молибденом, нике-
лем, кремнием и ванадием, применяют для сварки низколегиро-
ванных высокопрочных сталей. Проволоки других марок исполь-
зуют для сварки сталей сходного с ними состава и для наплавоч-
ных работ.
При содержании в проволоке легирующих элементов более 6%
ее относят к высоколегированным (табл. 10-23 и 10-24). Высоко-
легированные аустенитные и ферритные проволоки применяют
для сварки нержавеющих, жаростойких и других специальных
сталей различного состава. Аустенитная проволока после волоче-
ния сильно нагартовывается и обладает большой жесткостью.
Это облегчает подачу проволоки диаметром 2—3 мм по гибким
шлангам при полуавтоматической сварке, но весьма затрудняет
работу с проволокой большого диаметра. При автоматической
сварке наклепанной аустенитной проволокой диаметром 4—6 мм
ее следует предварительно подвергнуть термообработке. В зави-
симости от состава проволоки и степени наклепа термообработка
может заключаться или в отжиге, или в закалке.
Проволока для сварки алюминия и его сплавов. Сварочные
проволоки сплошного сечения поставляют по ГОСТ 7871—63
(табл. 7-5). Проволока из алюминия и его сплавов бывает тянутой
или прессованной, диаметром 0,8—12 мм. Тянутую проволоку
поставляют в нагартованном состоянии в бухтах, проволоку
горячепрессованную — в бухтах или прутках не короче 3 м.
Размеры и масса мотков должны соответствовать данным
табл. 7-6.
Проволоку поставляют с консервирующей смазкой. Ее следует
хранить и транспортировать в условиях, предотвращающих
19 Заказ № 782	289
Таблица 7-4
Состав легированных сварочных проволок (ГОСТ 2246—70), %
290
Марка проволоки	С	Мп	Si	Сг
Св-08ГС	<0,10	1,40—1,70	0,65-0,85	<0,20
Св-12ГС	<0,14	0,80—1,10	0,60—0,90	<0,20
Св-08Г2С	0,05-0,11	1,80—2,10	0,70—0,95	<0,20
Св-ЮГН	==50,12	0,90—1,20	0,15—0,35	<0,20
Св-08ГСМТ	0,06—0,11	1,00—1,30	0,40—0,70	<0,30
Св-15ГСТЮЦА	0,12—0,18	0,60—1,00	0,45—0,85	<0,30
Св-20ГСТЮА	0,12—0,18	0,60—1,00	0,45—0,85	<0,30
Св-18ХГС	0,15—0,22	0,80—1,10	0,90—1,20	0,80—1,10
Ni	Мо	S	р	Другие элементы
		не	олее	
<0,25	—.	0,025	0,030	—
<0,30		0,025	0,030	—
<0,25	—	0,025	0,030	—
0,90—1,20	—	0,025	0,030	
<0,30	0,20—0,40	0,025	0,030	0,05— 0,12 Ti
<0,40	—	0,025	0,025	0,20— 0,50 Al, 0,05— 0,15 Zr, не менее 0,40 Се
<0,40	—	0,025	0,025	0,10— 0,20 Т1, 0,20— 0,50 А1, 0,30— 0,45 Се
<0,30	—	0,025	0,030	—
Продолжение табл. 7-4
Марка проволоки	с	Мп	Si	Сг	N1	Мо	S	р	Другие элементы
							не	)олее	
Св-ЮНМА	0,070,12	0,40—0,70	0,12—0,35	<0,20	1,00—1,50	0,40—0,55	0,025	0,020	—
Св-08МХ	0,06—0,10	0,35—0,60	0,12—0,30	0,45—0,65	<0,30	0,40—0,60	0,025	0,030	—
Св-08ХНМ	<0,10	0,50—0,80	0,12—0,35	0,70—0,90	0,80—1,20	0,25—0,45	0,025	0,030	—
Св-08ХМФА	0,06—0,10	0,35—0,60	0,12—0,30	0,90—1,20	<0,30	0,50—0,70	0,025	0,025	0,15— 0,30 V
Св-ЮХМФТ	0,07—0,12	0,40—0,70	<0,35	1,40—1,80	<0,30	0,40—0,60	0,030	0,030	0,05— 0,12 Т1 0,20— 0,35 V
Св-08ХГ2С	0,05—0,11	1,70—2,10	0,70—0,95	0,70—1,00	<0,25	—	0,025	0,030	—
Св-08ХГСМА	0,06—0,10	1,15—1,45	0,45—0,70	0,85—1,15	<0,30	0,40—0,60	0,025	0,025	—
Св-10ХГ2СМА	0,07—0,12	1,70—2,10	0,60—0,90	0,80—1,10	<0,30	0,40—0,60	0,025	0,025	—
Св-08ХГСМФА	0,06—0,10	1,20—1,50	0,45—0,70	0,95—1,25	<0,30	0,50—0,70	0,025	0,025	0,20— 0,35 V
Св-08ХН2М	<0,10	0,55—0,85	0,12—0,30	0,70—1,00	1,40—1,80	0,20—0,40	0,025	0,030	—
Св-ОбНЗ	<0,08	0,40—0,70	<0,30	<0,30	3,00—3,50	—	0,025	0,030	—
Св-10Х5М	<0,12	0,40—0,70	0,12—0,35	4,00—5,50	<0,30	0,40—0,60	0,025	0,030	—
Таблица 7-5
Состав проволок для сварки йлюмйнйя й его Сплавов, %
Марка проволоки	А1	Mg	Мп	Fe	Si
СвАВОО	<99,97					<0,015	5=0,015
СвА-1	<99,5	—			0,20—0,35	0,10—0,35
СвАМц			5=0,05	1,0—1,5	0,3—0,50	0,2—0,4
СвАМгб		4,8—5,8	0,5-0,8	<0,4	5=0,4
СвАМгб	Осталь-	5,8—6,8	0,5—0,8	5=0,4	5=0,4
СвАМг7	ное	6,5—7,5	0,5—0,8	5=0,4	5=0,4
СвАН5		.—	—	5=0,6	4,5—6,0
Св АН 10		5=0,10	—	<0,6	7,0—10,0
Св АН 12		—	—	5=0,3	11,5—13,5
Марка проволоки	Ti	Be	Zr	Примеси не более, %			
				Zn	Си	g 5 S Ф 5® С е	Сумма примесей
СвАВОО					0,005	0,01	0,08
СвА-1	—	—	—	—	0,015	0,05	0,5
СвАМц	—	—	—	0,1	0,2	0,1	1,35
СвАМгб	0,1—0,2	0,002—0,005	—	0,2	0,05	0,1	1,4
СвАМгб	0,1—0,2	0,002—0,005	—	0,2	0,1	0,1	1,2
СвАМг7	—	0,002—0,005	0,2—0,4	—	—	—	—
СвАН5	—	—	—	Zn-|-Sn 0,1	0,2	0,1	1,0
СвАНЮ	—	—	—	Zn-|-Sn 0,2	0,1	0,1	1,1
СвАН12	—	—	0,05—0,25	—	0,2	0,1	0,6
нарушение целостности упаковки и предохраняющих поверхность
проволоки от коррозии, загрязнений и механических повреждений.
Таблица 7-6
Размеры и масса мотков
алюминиевой проволоки
Диаметр проволоки, мм	Внутренний диаметр мотка, мм	Масса мотка проволоки, не более
0,8	150—300	1,5
1,0—2,2	250—400	10
2,5—3,5	350—500	25
4.0—6,0	<600	40
7,0—12,0	<750	40
Проволока для сварки меди
и ее сплавов (табл. 7-7). Для
сварки под флюсом применяют
проволоки МТ, Бр.Х0,7 и
Бр.ХТ0,6-0,5, для газоэлект-
рической сварки — проволоки
МНЖКТ5-1-0,2-0,2и Бр.НМцЗ-1.
Проволока для сварки ти-
тана и его сплавов. Сварочные
проволоки изготовляют из ти-
тановых сплавов различного
состава и поставляют по ве-
домственным техническим усло-
виям. Для сварки титана ис-
пользуют проволоку из сплава
292
Таблица 7-7
Состав проволок для механизированной сварки мёДи и хромовой бронзы, %
Марка проволоки	Сг	Ti	Ni	Fe
мт				
Бр.Х0,7	0,4—0,9	—	—	—
Бр.ХТО.6-0,5	0,4—0,8	0,4—0,6	—	—
МНЖКТ5-1-0,2-0,2	—	0,1—0,3	5,0—6,5	1,0—1,4
Бр.КМцЗ-1	—•	—•	—-	—
				
Марка проволоки	Si	Мп	Си	примесеи
мт			99,95—99,99	0,01—0,05
Бр.Х0,7	—	—	Остальное	sg0,3
Бр.ХТ0,6-0,5	—	—	»	sg0,2
МНЖКТ5-1-0,2-0,2	0,15—0,30	0,3—0,8	»	s=0,7
Бр.КМцЗ-1	2,75—3,5	1,0—1,5	»	s=l,l
ВТ1, содержащую до 0,05% С; до 0,3% Fe; до 0,05% S; до 0,15%
кислорода; до 0,04% азота и до 0,01% водорода. Химический
состав сварочной проволоки для сварки титановых сплавов вы-
бирают исходя из соображений обеспечения прочностных и дру-
гих свойств сварных соединений.
Другие плавящиеся электродные стержни. К плавящимся элек-
тродным стержням кроме рассмотренных выше сварочных прово-
лок сплошного сечения относятся ленты и пластины сплошного
сечения, порошковые проволоки и ленты (см. гл. 13), применяе-
мые при различных способах дуговой сварки и наплавки, а также
сварочные электроды с покрытиями различных типов. Кроме
того, при электрошлаковой сварке используют комбинированные
электроды (плавящиеся мундштуки), состоящие из пластин и про-
волок.
При помощи плавящихся электродных стержней соответ-
ствующего химического состава можно изменять в желаемом на-
правлении состав металла шва или наплавки, легировать его
нужными элементами, снижать содержание вредных примесей.
Неплавящиеся электродные стержни. Неплавящиеся электрод-
ные стержни изготовляют из чистого вольфрама, вольфрама
с активирующими присадками окислов тория, лантана и иттрия,
электротехнического угля и синтетического графита. Наиболее
широко используют стержни из вольфрама и вольфрама с активи-
рующими присадками, что обусловлено тугоплавкостью воль-
фрама (температура плавления 4500° С, температура кипения
5900° С), его высокой электропроводностью и теплопроводностью.
293
Вольфрамовые электроды Рредназначены для дуговой сварки
в среде инертных газов, атомно-водородной сварки, а также для
плазменных процессов сварки, резки, наплавки и напыления.
Их изготовляют из чистого вольфрама (марки ЭВЧ), вольфрама
с присадками окиси лантана (марок ЭВЛ-10 и ЭВЛ-20), вольфрама
с присадкой окиси тория (марки ЭВТ-15) и вольфрама с присад-
ками окиси иттрия и металлического тантала (марки ЭВИ-30).
Цифры в обозначении марки вольфрамового электрода указывают
количество активирующей присадки в десятых долях процента.
Например, в электроде ЭВЛ-20 содержится 1,5—2,0% окиси
лантана, остальное вольфрам. Суммарное содержание других
примесей в вольфрамовых электродах не должно превышать 0,09%.
Изготовляют вольфрамовые электроды диаметром 0,2—12 мм.
Электроды диаметром 0,2—2,5 мм включительно выпускают тяну-
тыми, электроды большего диаметра изготовляют из кованых
прутков, доводимых шлифованием до требуемого диаметра. Их
длина составляет 75, 140 и 170 мм.
Добавка к вольфраму окислов лантана, тория или иттрия
снижает эффективный потенциал ионизации, в результате чего
облегчается зажигание дуги, увеличивается устойчивость дуго-
вого разряда и повышается стойкость электрода. Появляется воз-
можность значительно повысить плотность тока, так как при этом
конец электрода не изменяет формы в процессе сварки (табл. 7-8).
Для предупреждения окисления вольфрамовые электроды
используют только при сварке с защитой области дуги инертным
газом. Электроды из чистого вольфрама обычно применяют для
сварки переменным током, а электроды из вольфрама с активи-
рующими присадками для сварки как на переменном, так и на
постоянном токе прямой и обратной полярности. Чтобы умень-
шить расход электродов, подачу инертного газа следует начинать
до включения сварочного тока, а прекращать после включения
тока и остывания электрода до его потемнения. Включать и вы-
ключать ток следует плавно.
Затачивать конец электрода для сварки переменным током
рекомендуется в виде сферы, для сварки постоянным током —
в виде конуса. Расход электродов из чистого вольфрама значи-
тельно выше, чем из вольфрама с активирующими присадками.
Все работы с электродами из вольфрама с присадкой окиси
тория, а также транспортировку и хранение их следует выполнять
в соответствии с санитарными правилами работы с радиоактив-
ными веществами.
Графитовые и угольные электроды отличаются малой тепло-
проводностью. Они имеют круглое сечение диаметром 5—25 мм
и длину 200—300 мм. Конец электрода затачивают на конус.
Графитовые электроды по сравнению с угольными обладают боль-
шей электропроводностью и большей стойкостью против окисле-
ния при высоких температурах. Это заметно снижает удельный
расход электродов и позволяет производить сварку на повышенных
294
Таблица 7-8
Рекомендуемые величины сварочного тока, А
Марка электро- да	Род тока	Диаметр электрода, мм								
		2	3	4	5	6	7	8	9	10
	Постоянный, пря- мая полярность	50	170	370	470	560	—	—	—	—
эвч	Постоянный, об- ратная поляр- ность	30	40	55	65	85	110	130	160	180
	Переменный	20	50	80	220	260	310	370	450	500
	Постоянный, пря- мая полярность	100	250	500	710	1000	—	—	—	—
ЗИЛ	Постоянный, об- ратная поляр- ь есть	35	45	60	80	100	125	150	175	200
	Переменный	70	180	210	280	340	410	500	600	720
плотностях тока. Подвод тока к графитовым и угольным электро-
дам осуществляется при помощи специальных электрододержа-
телей. С целью стабилизации положения дуги применяют уголь-
ные электроды с фитилем; фитиль —• это канал, расположенный
по центру электрода и заполненный порошкообразной массой,
содержащей легкоионизируемые вещества.
§ 7-2. Порошковые проволоки
Порошковая проволока — это непрерывный элек-
трод, состоящий из металлической оболочки и порошкообразного
наполнителя (сердечника). Последний представляет собой смесь
газообразующих и шлакообразующих материалов, ферросплавов
и металлических порошков.
Отношение массы сердечника к массе проволоки называется
коэффициентом заполнения Л',. Величина Л'3 зависит от типа,
конструкции, назначения проволоки и обычно составляет 15—40%.
Эффективность защиты расплавленного металла от воздуха
зависит от количества защитных материалов сердечника Q3,
состава сердечника, конструкции проволоки, режима сварки и ха-
рактеризуется содержанием азота
в металле шва. С увеличением Q3
содержание азота в металле шва
сначала снижается (рис. 7-1). Даль-
нейшее повышение Q3 приводит
Рис. 7-1. Зависимость содержания азота в на-
плавленном металле от количества
защитных материалов в сердечнике
295
Рис. 7-2. Характер плавления сер-
дечника и оболочки труб-
чатой порошковой прово-
локи
к отставанию плавления сердеч-
ника от плавления металличе-
ской оболочки (рис. 7-2) и сни-
жению эффективности защиты
металла от воздуха. Нераспла-
вившиеся частицы сердечника,
попадая в сварочную ванну,
засоряют ее неметаллическими
включениями.
Уменьшение отставания плавления сердечника достигается
следующими путями: 1) увеличением электропроводности сердеч-
ника за счет повышения содержания железного порошка. При
сохранении оптимального количества газо- и шлакообразующих
материалов этого эффекта можно достичь уменьшением толщины
ленты; 2) понижением температуры плавления сердечника за счет
применения шлаковых систем эвтектического состава с низкой
температурой плавления или же введением в сердечник плавней,
3) разделением сердечника проволоки на части металлическими
перегородками, электрически связанными с оболочкой проволоки
Наиболее распространенные конструкции порошковых про-
волок приведены на рис. 7-3. Проволоки простых трубчатых кон-
струкций (а—в) обычно используют для сварки в углекислом газе.
Проволоки сложных конструкций — с одним и двумя загибами
г)
Рис. 7-3. Конструкции порошковой проволоки
а—в — простые трубчатые;	д — с двумя загибами оболочки;
е — с одним загибом оболочки, е — двухслойная
?96
Рис. 7-4. Зависимость содержания азота
в металле шва от напряжения
дуги
1 — проволока трубчатой конструк-
ции,
2 — проволока двухслойной конст-
рукции
кромок (г, <?), а также двухслойные
(е) применяются без дополнительной
защиты. ^Проволоки двухслойной
конструкций позволяют более надежно защитить расплавленный
металл от воздуха (рис. 7-4). Эффективность защитыметалла сни-
жается при повышении напряжения дуги (рис. 7-4).j
Порошковые проволоки различают по назначению, способу
защиты металла и составу сердечника. Наиболее широкое распро-
странение получили проволоки для сварки низкоуглеродистых
и низколегированных конструкционных сталей. В последнее
время порошковые проволоки находят все большее применение
для сварки легированных сталей, чугуна, цветных металлов
и сплавов.
По способу защиты порошковые проволоки делятся на само-
защитные (защита расплавленного металла осуществляется с по-
мощью составляющих сердечника проволоки) и используемые
с дополнительной защитой зоны сварки газом или флюсами. Наи-
более часто в качестве защитной среды употребляют углекислый
газ.
По составу сердечника порошковые проволоки, выпускаемые
в настоящее время промышленностью, делятся на пять типов:
рутил-органические, карбонатно-флюоритные, флюоритные, ру-
тиловые и рутил-флюоритные Название типа проволоки опреде-
ляется наименованием основных составляющих сердечника. Про-
волоки первых трех типов применяют, как правило, без дополни-
тельной защиты. Проволоки рутилового и рутил-флюоритного
типов используют для сварки в углекислом газе.
Самозащитные проволоки. Проволоки рутил-органического
типа предназначены для сварки низкоуглеродистых сталей Сер-
дечник их состоит в основном из рутилового концентрата и алю-
мосиликатов (полевой шпат, гранит, слюда и др ). В качестве
раскислителей использован ферромарганец, а газообразующих —
органические материалы (крахмал, целлюлоза). При расплавле-
нии проволок образуются кислые шлаки, содержащие преимуще-
ственно окислы титана и кремния Такие шлаки можно отнести
к системам TiO2—SiO2—А12О3 или TiO2—SiO2—MgO
Наплавленный металл по химическому составу близок к ки-
пящей или полуспокойной низкоуглеродистой стали и содержит
значительное количество водорода, азота и неметаллических
включений. Это отрицательно сказывается на механических свой-
ствах металла шва и сварного соединения С увеличением силы
тока металл сварочной ванны более интенсивно поглощает газы,
297
главным образом водород и азот. Для предупреждения пористости
швов при сварке проволоками этого типа ограничивают силу
тока, что снижает производительность сварки.
Проволоки рутил-органического типа обладают удовлетвори-
тельными сварочно-технологическими свойствами и в широком
диапазоне напряжений дуги обеспечивают получение плотных
швов.
Металл швов, выполненных проволоками этого типа, в диа-
пазоне рекомендованных режимов сварки мало склонен к образо-
ванию пористости при увлажнении сердечника или наличии ржав-
чины и окалины на поверхности свариваемого металла. Склонность
к пористости повышается при сварке металла с большим содержа-
нием кремния.
Рутил-органические проволоки ПП-АН1, ПП-1ДСК, ПВС-1Л
нашли применение при изготовлении и монтаже неответственных
конструкций в строительстве, машиностроении, речном судострое-
нии и т. п. Основные технические данные самозащитной порошко-
вой проволоки ПП-АН1, а также состав и свойства наплавленного
металла приведены в табл. 7-9, 7-10 и 7-11. Подобные характе-
ристики имеют и проволоки ПП-1ДСК и ПВС-1Л.
Проволоки карбонатно-флюоритного типа предназначены для
сварки ответственных конструкций из низкоуглеродистых и низ-
колегированных сталей. Шлакообразующую часть сердечника
составляют флюоритовый и рутиловый концентраты, алюмоси-
ликаты и окислы щелочноземельных металлов. В качестве газо-
образующих материалов использованы карбонаты кальция, маг-
ния и натрия. Раскислителями служат ферромарганец, ферро-
силиций, ферротитан и ферроалюминий.
Наплавленный металл по составу представляет собой кремне-
марганцевую сталь. Содержание газов в нем зависит от состава
и конструкции проволок, а также от режимов сварки.
При расплавлении проволок карбонатно-флюоритного типа
образуются основные шлаки, составы которых приближенно
можно отнести к системам СаО—CaF2—TiO2, CaO—CaF2—A12O3,
CaO—CaF2-—SiO2 и др. Шлаки, образующиеся при сварке прово-
локами карбонатно-флюоритного типа, плохо защищают распла-
вленный электродный металл и металл сварочной ванны. Вслед-
ствие этого при удлинении дуги в ряде случаев имеет место интен-
сивное поглощение азота расплавленным металлом. Нейтрализа-
ция вредного влияния азота достигается введением в сердечник
нитридообразующих элементов — титана или алюминия. При
высоких напряжениях дуги в металле швов, легированных тита-
ном и алюминием, фиксируются значительные количества азота
в виде нитридов титана или нитридов алюминия, что резко сни-
жает пластические свойства металла (рис. 7-5, 7-6). Недостаточ-
ное количество нитрообразующих элементов приводит к образо-
ванию пор, поэтому их содержание в металле шва необходимо
строго контролировать.
298
Таблица 7-9
Характеристика самозащитных порошковых проволок
Проволока		Тип сердечника	Конструк- ция *	Положение сварки **	Рекомендуемые режимы сварки		Производи- тельность наплавки, к /ч
Марка	Диаметр, мм				'св- А	в	
ПП-АН1 . . . .	2,8	Рутил-ор ганический	б	Н	200—350	24—28	2—5
ПП-АНЗ ....	3,0	Карбонатно-флюоритный	е	Н	300—500	25—30	5—9
ПП-АН7 ....	2,0; 2,3	То же	е	II, Вр Г	160—300	20—26	3-6
ПП-АНН . . . .	2,0; 2,4	»	е	н, в2, Г, п	150—350	20—26	3—7
ЭПС-15/2 ....	2,5	»	д	II	320—420	24—30	5-8
ПП-2ДСК ....	2,3	Флюоритный	г	н	340—450	25—32	6—8
* Конструкция проволоки указана в соответствии с обозначениями на рис. 7-3.
** Обозначения: и — нижнее; Bi — вертикальное «снизу вверх»; в2 — вертикальное — «сверху вниз»;
г — горизонтальное; п
по-
299
Таблица 7-10
Состав швов и содержание газов в металле, наплавленном самозащитными порошковыми проволоками, %
Марка	проволоки	с	Мп	Si	[N], не более	[°]сум	ТОсум’ см3/100 г
ПП-АН1 .		0,06—0,10	0,6—0,8	0,07—0,15	0,04	0,06—0,10	20-30
ПП-АНЗ		0,07—0,12	0,7—1,3	0,20—0,45	0,03	0,04—0,06	4,5—7,0
ПП-АН7 .		0,08—0,13	0,7—1,3	0,20—0,50	0,03	0,04—0,06	5,5—8,0
ПП-АН11		0,09—0,14	0,9—1,5	0,25—0,50	0,025	о;оз—0,04	4,0—5,5
ЭПС-15/2		0,08—0,12	0,6—0,8	0,07—0,15	0,025	0,03—0,04	5—8
ПП-2ДСК		0,09—0,13	0,6—1,1	0,13-0,40	0,03	0,03—0,04	6—10
Существенное повышение эф-
фективности защиты металла от
Таблица 7-11
Механические свойства металла швов,
выполненных самозащитными
порошковыми проволоками
(при комнатной температуре)
Марка проволоки	S S	б, %	а , и’ кгс«м/см2
ПП-АН1	50-56	18—24	8—12
ПП-АНЗ	50—56	24—30	14—18
ПП-АН7	50—55	21—26	13—17
ПП-АН11	52—56	23—28	14—18
ЭПС-15/2	52—58	22—26	14—18
ПП-2ДСК	48—52	22—30	14—17
воздуха достигается примене-
нием проволоки двухслойной
конструкции. Снижение погло-
щения азота расплавленным
металлом в этом случае позво-
ляет значительно расширить
диапазон напряжений дуги,
при которых обеспечиваются
удовлетворительные механиче-
ские свойства металла шва, и
отказаться от легирования ти-
таном и алюминием.
Проволоки с сердечником
карбонатно-флюоритйото типа
требуют тщательного хранения, не допускается их увлажнение,
ржавление и наличие слоя волочильной смазки на поверхности.
Влага и следы смазки служат источниками водорода, который
в дуге интенсивно поглощается расплавленным металлом. Это
является причиной образования пор и снижения пластических
свойств металла швов. Удаление влаги и следов волочильной
смазки путем прокалки проволоки при температуре 250° С позво-
ляет резко снизить содержание водорода и уменьшить склонность
к образованию пористости. Существенного уменьшения содержа-
ния водорода в металле достигают введением в сердечник фтори-
стого кальция и кремнефтористого натрия. Этому же способствует
увеличение вылета проволоки благодаря предварительному ее
нагреву. Во избежание образования пористости требуется очистка
свариваемого металла от ржавчины и загрязнений.
Сварку порошковой проволокой карбонатно-флюоритного типа
выполняют на постоянном токе обратной полярности при питании
от источника сварочного тока с жесткой внешней характеристи-
Рис. 7-5.
Ударная вязкость металла швов,
легированных титаном; содер-
жание титана:
Z — 0,01%;	3 — 0,26%;
2 - 0,12%;	4 — 0,42%
Рис. 7-6.
Ударная вязкость металла швов,
легированных алюминием; со-
держание алюминия:
1 — 0,05%;	3 - 0,57%;
2 — 0,18%;	4 — 0,90%
300
кой. Металл шва хорошо раскислен, содержание газов в нем неве-
лико. Механические свойства металла швов находятся на уровне,
достигаемом обычно при сварке электродами фтористо-кальцие-
вого типа. Проволоки карбонатно-флюоритного типа высоко-
производительны и допускают применение большой плотности
тока.
Порошковые проволоки для сварки в углекислом газе. Сварка
в углекислом газе проволокой сплошного сечения Св-08Г2С наряду
с известными преимуществами, обусловившими ее массовое при-
менение, имеет ряд недостатков. Важнейшие из них: повышенное
разбрызгивание электродного металла и посредственный внешний
вид швов при сварке проволокой диаметром 1,6—2,0 мм в диапа-
зоне наиболее употребляемых сварочных токов (340—400 А). В ряде
случаев наблюдается недостаточная пластичность металла шва.
Применение порошковой проволоки позволяет устранить эти
недостатки. Введение в сердечник проволоки шлакообразующих
составляющих и раскислителей в сочетании с дополнительной
защитой углекислым газом позволяет хорошо раскислить металл
сварочной ванны, интенсивно обработать его шлаком и снизить
содержание в нем газов и неметаллических включений (табл. 7-12).
При этом существенно повышается пластичность металла швов.
При сварке порошковой проволокой нагрев основного металла
менее концентрированный, чем при сварке сплошной проволокой.
Это дает возможность получить благоприятную форму швов
при высоких скоростях плавления металла. Введением в сердеч-
ник проволоки материалов, активно влияющих на характеристики
дуги, достигается высокая стабильность дугового процесса и ми-
нимальное разбрызгивание электродного металла.
Основу сердечника проволок, используемых с дополнительной
защитой углекислым газом, составляют шлакообразующие мате-
риалы, ферросплавы и железный порошок. Наиболее распростра-
нены шлаковые системы ТЮ2—SiO2, TiO2—CaF2, MgO—TiO2—
CaF2, CaO—TiO2—CaF2 и др. До 60% массы сердечника соста-
вляет железный порошок. Его вводят с целью увеличения про-
изводительности сварки и придания проволоке благоприятных
сварочно-технологических свойств.
Таблица 7-12
Содержание газов в металле, наплавленном в углекислом газе, %
Марка проволоки	[N]	1°1сум	[HJcyM. см3/100 г
ПП-АН8 ....	0,008—0,015	0,06—0,085	6,5—8,4
ПП-АН10 . .	0,008—0,015	0,04—0,07	4,4—6,6
ПП-АН4 ....	0,008—0,015	0,025—0,040	3,0—6,3
ПП-АН9 ....	0,008—0,013	0,03—0,045	3,7—6,0
Св-08Г2С . . .	0,010	0,04—0,08	4,05
301
В качестве шлакообразующих материалов в сердечник прово-
лок рутилового типа вводят рутиловый концентрат, алюмосили-
каты и руды. Раскисление металла в основном осуществляется
ферромарганцем. Содержание кремнезема в сердечнике проволок
этого типа необходимо ограничивать с целью предупреждения раз-
вития реакции восстановления кремния:
2 [Mn] + (SiO2) Z± [Si] + 2 (MnO).	(7-1)
При понижении температуры в ванне реакция идет влево.
Продукты реакции, не успевая всплыть из ванны, остаются в ней
в виде неметаллических включений и могут снизить пластичность
швов. Проволоки с рутиловым сердечником обеспечивают устой-
чивое горение дуги в широком диапазоне токов, отличное формиро-
вание швов, малое разбрызгивание электродного металла. Металл
шва и сварные соединения, выполненные проволоками рутилового
типа на низкоуглеродистых и низколегированных сталях, отве-
чают требованиям, предъявляемым к электродам типа Э50А.
Основу шлакообразующей части сердечника проволок рутил-
флюоритного типа составляют рутиловый и флюоритовый концен-
траты. Раскисление осуществляется ферромарганцем и ферро-
силицием. Проволоки этого типа обычно не содержат кремнезема.
Входящий в состав сердечника фтористый кальций, являясь флю-
сующим реагентом, обеспечивает минимальное содержание неме-
таллических включений в металле шва и исключительно высокую
его пластичность, превосходящую пластичность швов, выпол-
ненных электродами типа Э50АФ.
В промышленности для сварки низкоуглеродистых и низколе-
гированных сталей нашли широкое применение рутиловые прово-
локи марок ПП-АН8 и ПП-АН10 и рутил-флюоритные проволоки
марок ПП-АН4 и ПП-АН9 (табл. 7-13).
Таблица 7-13
Характеристика порошковых проволок для сварки в углекислом газе
Марка проволоки	Сердечник	Диаметр, мм	Рекомендуемые режимы сварки		Механические свой- ства металла шва (при комнатной температуре)		
			3	СП	S S to *	б, %	1г J11 *
ПП-АН8	Рутиловый	2,0; 2,2, 2,5, 3,0	150—550	20—38	52—56	25—30	14—20
ПП-АН10	»	2,0; 2,3	130—500	22—37	52—56	25—30	14—20
ПП-АН4	Рутил- флюоритный	2,0, 2,2, 2,5	230—550	25—35	50—55	27—30	16—25
ПП-АН9	То же	2,0, 2,2; 2,5	240—530	25—35	50—55	27—30	16—25
302
Рутиловые проволоки применяют при изготовлении большой
номенклатуры деталей и узлов машин, строительных металле-,
конструкций и особенно на тех объектах, где к внешнему виду
швов предъявляются повышенные требования. Проволоки рутил-
флюоритного типа рекомендуются для сварки особо ответственных
конструкций, эксплуатируемых в сложных климатических усло-
виях при значительных динамических и знакопеременных нагруз-
ках.
Применение порошковых проволок позволяет значительно
повысить производительность сварки. Производительность полу-
автоматической сварки порошковой проволокой в 2—4 раза выше,
чем ручной сварки покрытыми электродами, и на 10—15% выше,
чем проволокой Св-08Г2С (рис. 7-7).
Себестоимость металла, наплавленного порошковыми прово-
локами, на 20—30% ниже, чем металла, наплавленного покрытыми
электродами. При сварке в углекислом газе себестоимость на-
плавленного порошковыми проволоками металла несколько выше,
чем проволокой Св-08Г2С. При изготовлении ответственных ме-
таллоконструкций обычно требуется механическая обработка
швов для придания им благоприятной формы и очистки конструк-
ций от брызг. В этом случае применение порошковых проволок
благодаря их отличным сварочно-технологическим свойствам
и минимальному разбрызгиванию металла более эффективно,
чем проволоки сплошного сечения марки Св-08Г2С. Так, на-
пример, применение порошковой проволоки ПП-АН8 на экска-
ваторных заводах позволило снизить трудоемкость сварочных
работ на 25—30%, а на заводах сельхозмашиностроения на
30—40%.
На Ждановском заводе металлоконструкций широкое внед-
рение сварки порошковой проволокой позволило уменьшить
в 2 раза количество постов для ручной сварки. Это увели-
чило среднюю производительность сварщиков на 46%. Замена
электродов УОНИ-13/45 проволокой ПП-АН8 позволило полу-
чить 281 руб. экономии на каждой тонне израсходованной про-
волоки.
Порошковые проволоки для специальных целей. Порошковые
проволоки нашли также применение для сварки вертикальных
и горизонтальных швов с принудительным формированием, сварки
электрозаклепками, ванной сварки и др.
При электродуговой сварке вертикальных швов с принуди-
тельным формированием порошковая проволока подается в зазор,
образованный кромками изделий и ограниченный ползунами
(рис. 7-8). Кромки свариваемого металла оплавляются за счет
излучения дуги, горящей между концом электрода и сварочной
ванной. Расплавленный металл защищен от воздуха шлаком и га-
зом, образующимися при плавлении проволоки. С боков ванна
жидкого металла охлаждается и формируется медными ползу-
нами. Сварку порошковой проволокой с принудительным форми-
303
Рис. 7-8.
Схема процесса сварки порошковой проволокой
вертикальных швов с принудительным форми-
рованием:
Рис. 7-7.
Производительность сварки
различными сварочными ма-
териалами:
I — УОНИ-13/55, 0 6 мм;
2	— АНО-1, 0 5 мм,
3	ПП-АНЗ, 0 3 мм;
4	— Св-08Г2С, 0 2 мм;
5	— ПП-АН8, 0 3 мм
а — сварка в углекислом газе;
б — сварка самозащитной проволокой,
1	— порошковая проволока, 4 — ползуны;
2	— свариваемый металл, 5 — сварочная ванна;
3	— шлак;	6 — шов
рованием рекомендуется применять для соединения металла тол-
щиной 8—30 мм. Сварку можно выполнять как самозащитной
проволокой (ПП-АНЗС, ПП-АН7, ПП-2ДСК), так и с дополни-
тельной защитой углекислым газом (ПП-АН5).
Проволока ПП-АНЗС имеет двухслойную конструкцию и сер-
дечник карбонатно-флюоритного типа. Металл толщиной 10—
20 мм рекомендуется сваривать на режиме /св = 400-н450 А,
= 24-н27 В, УСЕ = 4-7 м/ч, зазор между кромками 10—•
12 мм. Проволока ПП-АН5 с сердечником флюоритного типа
допускает сварку на токах до 500 А. Ее широко применяют
при сварке монтажных стыков корпусов морских судов, при
этом производительность труда сварщиков повышается в 5—
7 раз.
Полупринудительное формирование сварочной ванны преду-
сматривает частичное удержание жидкого металла на вертикаль-
ной плоскости скользящим или перекатывающимся ползуном.
Ползун ограничивает массу свободной части ванны, что позволяет
увеличить мощность сварочной дуги, а следовательно, и произво-
дительность сварки. Для сварки с полупринудительным форми-
рованием используют самозащитные проволоки ПП-АНЗС и
ПП-АН7. Сварку одной дугой проволокой ПП-АНЗС производят
на токах до 500 А, а двумя дугами — до 900 А. Применение
этого способа сварки особенно эффективно для конструкций
с горизонтальными швами большой протяженности, напри-
мер цилиндрических резервуаров, кожухов доменных печей
и т. п.
304
§ 7-3. Сварочные электроды
Из всех сварочных материалов, выпускаемых в на-
шей стране, покрытые электроды по объему применения занимают
ведущее место. Ими сваривают свыше двух третей изготовляемых
в СССР металлоконструкций. Такое положение объясняется про-
стотой, большой маневренностью и универсальностью процесса
сварки покрытыми электродами, а также высоким качеством вы-
полненных ими сварных швов. Благодаря непрерывному повыше-
нию технического уровня и производительности электродов
сварка покрытыми электродами еще длительное время будет одним
из основных способов сварки плавлением.
Общие сведения об электродах. Покрытый электрод пред-
ставляет собой металлический стержень, на поверхность которого
методами окунания или опрессовки под давлением нанесено
специальное покрытие. В зависимости от назначения к электроду
предъявляют различные требования.
Общие требования для всех типов электродов: обеспечение
устойчивого горения дуги; хорошее формирование шва; полу-
чение металла шва определенного химического состава и свойств,
свободного от дефектов; спокойное и равномерное плавление
электродного стержня и покрытия в процессе сварки; минималь-
ные потери электродного металла от угара и разбрызгивания;
высокая производительность сварки; легкая отделимость шла-
ковой корки с поверхности шва; достаточная прочность покры-
тия; сохранение физико-химических и технологических свойств
электродов в течение определенного промежутка времени; мини-
мальная токсичность при изготовлении и сварке.
К электродам предъявляют ряд специальных требований:
получение швов заданной формы (вогнутая поверхность шва,
глубокий провар и др.); возможность сварки в различных про-
странственных положениях, возможность сварки определенным
способом (сварка опиранием, сварка вертикальных швов способом
сверху вниз и др.); получение металла шва со специальными
свойствами (повышенной прочности, износоустойчивости, кор-
розионной стойкости, жаропрочности, окалиностойкости и т. п.).
Для удовлетворения всех этих требований (общих и специаль-
ных) в покрытия электродов вводят определенные вещества —
шлакообразующие, газообразующие, раскислители, легирующие,
стабилизирующие, связующие, а также применяют стержни раз-
личного состава.
Шлакообразующие составляющие — основная часть большин-
ства покрытий. Это — полевой шпат, кремнезем, каолин, слюда,
тальк, ильменитовый и рутиловый концентраты, марганцевая
руда, гематит, мрамор, магнезит, плавиковый шпат и др. Эти
составляющие покрытий при расплавлении образуют шлак, кото-
рый защищает капли электродного металла и сварочную ванну
от непосредственного контакта с газами окружающей атмосферы.
20 Заказ № 782	305
Газообразующие составляющие вводят в электродное покры-
тие в виде органических веществ (оксицеллюлозы, крахмала,
древесной муки, декстрина) или в виде карбонатов (мрамора,
мела, известняка, доломита, магнезита, сидерита). Органические
составляющие покрытия и карбонаты при нагревании разла-
гаются и образуют газы, которые оттесняют воздух от дугового
промежутка.
На определенных этапах процесса сварки расплавленный ме-
талл контактирует со шлаком, атмосферой дуги и воздухом,
в результате чего окисляется. Для получения высокого качества
шва металл необходимо раскислить, т. е. восстановить находя-
щиеся в расплаве окислы. С этой целью в покрытие вводят эле-
менты-раскислители, чаще всего в виде ферросплавов: ферромар-
ганца, ферросилиция, ферротитана и др. Иногда в качестве рас-
кислителя применяют алюминий или графит. Если электроды
имеют стержень из легированной стали, то раскисление частично
осуществляется за счет легирующих элементов стержня.
Для получения повышенной прочности, износоустойчивости,
коррозионной стойкости и многих других специальных свойств
металла шва его необходимо легировать марганцем, кремнием,
вольфрамом, молибденом, хромом, никелем, ниобием, бором,
титаном и другими элементами. Легировать металл шва можно
через проволоку или через покрытие. Возможно одновременное
использование обоих способов легирования. Наиболее стабильные
химический состав, механические и другие свойства металла шва
(особенно при сварке и наплавке высоколегированных сплавов)
получаются при легировании через проволоку.
Для стабилизации горения дуги в покрытия вводят соединения
щелочных и щелочноземельных металлов (калия, натрия, кальция,
бария), обладающих низкими потенциалами ионизации и малой
работой выхода электронов. В качестве стабилизирующих соста-
вляющих используют силикаты натрия и калия, поташ, кальци-
нированную соду, полевой шпат, мел, мрамор и углекислый
барий.
Для повышения пластичности обмазочной массы в состав по-
крытия вводят пластификаторы — бентонит, каолин, тальк, слюду,
целлюлозу, карбоксиметилцеллюлозу и другие вещества.
В качестве связующих материалов при изготовлении покрытых
электродов чаще всего используют натриевое, калиевое или
натриево-калиевое жидкое стекло В покрытиях некоторых элек-
тродов для связки применяют лаки и порошкообразные пласт-
массы. Многие составляющие покрытия выполняют одновременно
несколько функций. Например, мрамор, магнезит и доломит
являются и газообразующими и шлакообразующими составля-
ющими; полевой шпат, слюда, жидкое стекло — шлакообразу-
ющими и стабилизаторами; ферросплавы— раскислителями и ле-
гирующими. Состав покрытия выбирают в зависимости от назна-
чения электродов и требуемых состава и свойств металла шва.
306
Классификация электродов. Электроды для ручной дуговой
сварки классифицируют по следующим основным признакам:
по назначению — для сварки стали, чугуна, алюминия, для на-
плавочных работ и т. п ; по типу покрытия — целлюлозные,
рутиловые, фтористо-кальциевые, ильменитовые, рудно-кислые
и др.; по механическим свойствам металла шва; по способу нане-
сения покрытия — окунанием или опрессовкой; по количеству
покрытия, нанесенного на стержень, — голые электроды, тонко-
покрытые, толстопокрытые.
Все эти признаки тесно взаимосвязаны. Группы тех или иных
признаков положены в основу классификации электродов в нацио-
нальных стандартах различных стран. Электроды для сварки и на-
плавки сталей в зависимости от назначения в соответствии
с ГОСТ 9466—60 подразделены на ряд классов: для сварки угле-
родистых и легированных конструкционных сталей; для сварки
легированных теплоустойчивых сталей; для сварки высоколегиро-
ванных сталей с особыми свойствами; для наплавки поверхност-
ных слоев с особыми свойствами.
Электроды для сварки конструкционных и теплоустойчивых
сталей согласно ГОСТ 9467—60 классифицированы по механиче-
ским характеристикам металла шва и сварного соединения, вы-
полненных этими электродами. Электроды для сварки теплоустой-
чивых сталей классифицированы, кроме того, и по химическому
составу металла шва. ГОСТ 9467—60 устанавливает в зависимости
от состава следующие виды покрытий электродов для сварки кон-
струкционных и теплоустойчивых сталей: рудно-кислое, обозна-
чаемое буквой Р; рутиловое— Т; фтористо-кальциевое—Ф;
органическое — О.
Электроды для сварки высоколегированных сталей с особыми
свойствами по ГОСТ 10052—62 подразделены на ряд типов в зави-
симости от химического состава наплавленного металла и механи-
ческих свойств металла шва. Каждому типу может соответство-
вать одна или несколько марок электродов. Марка электродов
характеризуется определенным составом покрытия и электрод-
ного стержня, технологическими свойствами и свойствами металла
шва.
Механические свойства, регламентируемые стандартом или
техническими условиями для электродов данной марки, отно-
сятся к случаю наплавки металла или сварки стыкового шва
сравнительно небольшой длины. В зависимости от условий сварки
механические свойства металла шва реальной сварной конструк-
ции могут отличаться от свойств электродов, указанных в стан-
дарте или паспорте.
Наиболее полно свойства каждой конкретной марки электро-
дов отражены в паспорте. Паспорт содержит следующие сведения:
условное обозначение электродов, их назначение, марку свароч-
ной проволоки и данные о покрытии электродов. К последним
относятся состав, номера стандартов или технических условий
20*	307
йа составляющие покрытий, соотношение массы покрытия и массы
стержня, толщина покрытия в зависимости от диаметра стержня,
режимы сушки и прокалки, а также условия хранения электро-
дов. В паспорте содержатся также краткие технологические ука-
зания по сварке, характеристики расплавления электродов, хими-
ческий состав и свойства наплавленного металла, металла-шва
или сварного соединения.
Общие требования, предъявляемые к электродам, регламенти-
рованы ГОСТ 9466—60. Это размеры и допуски отклонений от
номинальных размеров, качество покрытия, влагостойкость покры-
тия, требования к технологическим и металлургическим свойствам
электродов. Этим же стандартом обусловлены правила приемки
электродов, методы испытаний швов и сварных соединений,
условия маркировки и упаковки, данные о документации на элек-
троды.
Условное обозначение электродов для дуговой сварки сталей
и наплавки состоит из обозначения марки и типа электрода,
диаметра стержня и номера стандарта. В условном обозначении
электродов для сварки конструкционных и теплоустойчивых ста-
лей указан также вид покрытия. Например, условное обозначение
электрода АНО-7 Э50А-5,0-Ф ГОСТ 9467—60 расшифровывается
следующим образом: АНО-7 — марка электрода; Э50А — тип
электрода (Э— электрод для дуговой сварки, 50'— минимальное
гарантируемое временное сопротивление металла шва в кгс/мм2;
А — гарантирование получения повышенных пластических
свойств металла шва); 5,0 — диаметр электродного стержня в мм;
Ф — фтористо-кальциевое покрытие; ГОСТ 9467—60— номер стан-
дарта на данный электрод.
Металлургические процессы, происходящие при сварке покры-
тыми электродами. Металлургические процессы при дуговой
сварке покрытым электродом характеризуются малыми количе-
ствами реагирующих веществ, кратковременностью и высокими
температурами взаимодействия фаз. От характера и интенсивности
металлургических реакций существенно зависит химический со-
став, а следовательно и механические свойства металла шва.
Перенос электродного металла через дуговой промежуток
в основном осуществляется каплями. Расплавленное покрытие
частично переносится через дуговой промежуток в виде шлаковой
оболочки вокруг капель металла, а частично непосредственно
стекает в ванну. В процессе сварки наблюдается значительное
перемешивание металла и шлака, что увеличивает межфазную
поверхность металл-шлак. На торце электрода и в дуговом про-
межутке капли металла и шлака нагреваются до температуры
2100—2300° С, а средняя температура металла в сварочной ванне
составляет примерно 1700—1800° С. Температура газов (плазмы)
в столбе дуги достигает 5000—6000° С. Большие межфазные
поверхности и высокая температура обеспечивают при сварке
интенсивное взаимодействие металла со шлаком и газами.
308
Рис. 7-9. Кинетика окисления марганца
в электродном покрытии:
14 (А А Е₽охии)
Процессы, происходящие при
нагреве твердого покрытия на
конце электрода, имеют очень важ-
ное значение, так как от харак-
тера их протекания зависят со-
став, количество поступающих
в атмосферу дуги газов, степень
окисления ферросплавов и др.
В твердом покрытии при нагреве
происходит разложение или сго-
рание органических веществ, диссоциация карбонатов и окислов,
окисление ферросплавов. Так, диссоциация магнезита начинается
уже при температуре около 430° С, а мрамора — около 540° С;
МпО2 начинает диссоциировать в атмосфере воздуха при темпера-
туре 470° С, переходя в Мп2О3. Органические составляющие начи-
нают разлагаться еще при более низких температурах. При нали-
чии окислителей в покрытии органические вещества сгорают, обра-
зуя газовые смеси, состоящие в основном из СО2, Н2, Н2О
и СО.
Значительное влияние на кинетику и степень диссоциации
составляющих покрытия оказывают их минералогический состав,
дисперсность, степень гидратации, состав покрытия и т. д. Доба-
вление окислов, фторидов и металлических порошков к карбона-
там приводит к смещению интервала диссоциации карбонатов
в область низких температур. Это вызвано прежде всего улучше-
нием теплопроводности покрытий и развитием экзотермических
реакций окисления.
Одной из главных реакций, происходящих в твердой фазе при
нагреве покрытия, является окисление ферросплавов кислородом
воздуха и углекислым газом, выделяющимся при диссоциации
карбонатов. Наличие карбоната в покрытии способствует боль-
шему окислению ферросплавов к моменту расплавления покры-
тия (рис. 7-9).
Состав и количество газов в атмосфере дуги зависят от типа
покрытия При плавлении покрытий рудно-кислого, рутилового
и органического типов в результате разложения органических
составляющих и окисления углерода образуются главным образом
водород, окись углерода и пары воды При введении в рутиловое
покрытие карбонатов атмосфера дуги содержит значительное коли-
чество углекислого газа. При сварке электродами с фтористо-
кальциевым покрытием атмосфера дуги содержит углекислый газ,
окчсь углерода и пары воды.
309
Таблица 7-14
Состав газов (об. %) (по данным Л В. Сухова и А. Е. Марченко)
Тип покрытия и марка электрода	СО	со2	н2	о2	Н2О	Д'%
Рудно-кислое, ЦМ7	....	47,6	4,7	39,0	0,6	6,2	1,9
Органическое, опытная	. . .	42,1	1,1	51,2	—	5,6	—
Фтористо-кальциевое, ЦУ1 . .	62,9	20,4	5,2	0,2	10,5	0,8
Рутиловое, опытная	50,7	5,9	37,7	—	5,7	—
В табл. 7-14 приведены результаты анализа газов, образую-
щихся при сварке электродами с различными покрытиями. Кроме
этих газов в атмосфере дуги всегда имеется азот воздуха. Коли-
чество его в основном определяется эффективностью газовой за-
щиты.
Азот диссоциирует в дуговом промежутке (рис. 7-10). Диссо-
циация азота повышает скорость его абсорбции расплавленным
железом.
Снижение количества азота в металле шва при сварке покры-
тыми электродами достигается надежной газошлаковой защитой.
Максимальное содержание азота наблюдается в металле шва,
сваренного электродами со стабилизирующим покрытием. Оно
составляет 0,1—0,2% и значительно превышает максимальную
растворимость азота в железе при комнатной температуре. С уве-
личением толщины покрытия содержание азота в металле шва
снижается (рис. 7-11). Газообразующие компоненты в процессе
плавления электрода выделяют значительное количество газов и
снижают парциальное давление азота в атмосфере дуги, что обе-
спечивает уменьшение его содержания в металле шва (рис. 7-12).
Содержание азота в металле шва зависит от степени его леги-
рования. Повышение содержания углерода в проволоке или по-
Рис. 7-10. Зависимость степени дис-
социации N,, О2 и Н2 от
температуры
покрытия
Рис. 7-11. Влияние коэффициента мас-
сы шлакообразующего по-
крытия на содержание
азота в металле шва
310
Рис. 7-12. Влияние количества газов,
выделяющихся при рас-
плавлении электрода, на
содержание азота в наплав-
ленном металле (Ф. Рихтер)
Рис. 7-13. Влияние напряжения дуги
на содержание азота и
кислорода в металле шва
при сварке покрытыми
электродами
крытии приводит к снижению содержания азота в металле шва.
Углерод снижает растворимость азота в железе. Кроме того, окис-
ление углерода способствует уменьшению абсорбции азота вслед-
ствие снижения парциального давления азота у реакционной
границы газ—металл. Марганец в небольших количествах сни-
жает содержание азота в металле шва, а с повышением концен-
трации увеличивает его содержание, что связано с образованием
нитридов и изменением структуры металла.
Кремний снижает растворимость азота в стали. Значительно
увеличивает содержание азота легирование швов хромом и молиб-
деном. Увеличение содержания титана (свыше 0,2%) и алюми-
ния (свыше 1%) в наплавленном металле приводит к росту содер-
жания азота. При высоких содержаниях этих элементов практи-
чески весь азот в металле шва находится в виде нитридов.
Большое влияние на содержание азота в металле шва оказы-
вает режим сварки. Повышение напряжения дуги (удлинение
дуги) приводит к ухудшению газовой защиты расплавленного
металла и возрастанию концентрации азота в металле шва
(рис. 7-13). Увеличение содержания азота в металле шва, вызван-
ное удлинением дуги, особенно заметно при недостаточно надеж-
ной шлаковой защите металла.
С увеличением силы тока увеличивается температура капель.
В сталях типа 18-8 это приводит к снижению растворимости азота,
а в низкоуглеродистой стали — напротив, к увеличению раство-
римости. Поэтому увеличение силы тока вызывает снижение со-
держания азота при сварке сталей типа 18-8, а при сварке низко-
углеродистой стали содержание азота сначала растет, а затем
начинает снижаться вследствие интенсивного испарения металла
и уменьшения парциального давления азота у реакционной гра-
ницы газ—металл. Содержание азота в металле шва при сварке
постоянным током на прямой полярности, как правило, выше,
зп
капель или ванны, NO
Рис. 7-14. Влияние Легирующих элементов на
растворимость водорода в сплавах
железа	4
чем на обратной. Это связано с более
благоприятными условиями контакти-
рования металла с азотом при сварке
на прямой полярности, а также более
низкой температурой капель и меньшим
испарением металла.
Большое влияние на процесс погло-
щения азота металлом при сварке ока-
зывает содержание кислорода в атмо-
сфере дуги. Кислород в дуге взаимо-
действует с молекулярным азотом
с образованием NO. Попадая на металл
диссоциирует. Образующиеся при этом
атомарные азот и кислород активно растворяются в металле.
Водород, как и азот, оказывает вредное воздействие на каче-
ство металла шва. В зависимости от температуры водород может
находиться в молекулярном, атомарном или ионизированном
состоянии. Степень диссоциации водорода зависит от темпера-
туры (см. рис. 7-10). В столбе дуги подавляющее количество
водорода находится в атомарном состоянии. При дуговой сварке
покрытыми электродами содержание водорода в металле шва
в ряде случаев может превышать величину растворимости его
в железе при равновесных условиях и температуре кристаллиза-
ции. Растворимость водорода в жидких сплавах железа зависит
от концентрации легирующих элементов (рис. 7-14).
Кислород является элементом, наиболее активно препятству-
ющим поглощению водорода жидким железом. С повышением
содержания кислорода в металле растворимость водорода пони-
жается. Раскислители (марганец, кремний, титан, алюминий),
связывая растворенный в стали кислород, могут тем самым кос-
венно влиять на содержание в ней водорода.
При сварке покрытыми электродами главным источником
водорода является покрытие. В процессе нагрева покрытия элек-
трода и при его плавлении происходит разложение органических
составляющих, диссоциация карбонатов и окислов, взаимодей-
ствие между составляющими покрытия и другие реакции, которые
определяют парциальное давление водорода и паров воды в атмо-
сфере дуги, а следовательно, и их содержание в металле шва.
Характер протекания этих процессов определяется главным обра-
зом составом и влажностью покрытия (рис. 7-15).
Увеличение количества органических составляющих в покры-
тии приводит к повышению содержания водорода в металле шва.
Введение карбонатов в покрытие снижает парциальное давление
водорода в атмосфере дуги и количество водорода в металле
312
CM3/W0i
Рис. 7-15.
Влияние влажности покрытия на
содержание водорода в наплавлен-
ном металле:
/ _ рутиловое покрытие,
2 — фтористо-кальциевое покрытие
Влияние силы тока и диаметра электрода
на содержание водорода в наплавленном
металле; электроды АНО-4, обратная
полярность
1 — 0 3 мм,	з — 0 5 мм,
2 — 0 4 мм,	4 — 0 6 мм
шва. Наличие фтористых соединений в составе покрытия способ-
ствует снижению концентрации водорода в металле благодаря
связыванию его в химически прочное и нерастворимое в металле
соединение HF.
Содержание водорода в металле шва зависит и от режимов
сварки. С увеличением силы тока концентрация водорода в шве
возрастает (рис. 7-16). Объясняется это увеличением температуры
дуги и капель электродного металла. Увеличение напряжения
дуги приводит к снижению концентрации водорода в металле
шва. Удлинение дуги вызывает подсос воздуха из окружающей
атмосферы, снижение парциального давления водорода в атмо-
сфере дуги и повышенное окисление металла. В результате погло-
щение водорода расплавленным металлом снижается.
Процесс поглощения водорода металлом идет преимущественно
на стадии капли. Этому способствуют более высокая температура
и большая удельная поверхность расплавленного металла.
Газы атмосферы дуги окисляют расплавленный электродный
металл. При сварке электродами со стабилизирующим покрытием
расплавленный металл окисляется главным образом кислородом,
попадающим в атмосферу дуги из окружающего воздуха. Кисло-
род при температуре дуги в значительной степени диссоциирован
(рис. 7-10). Окисление металла с участием атомарного кислорода
идет более интенсивно, чем молекулярного.
При сварке толстопокрытыми электродами количество кисло-
рода, попадающего в атмосферу дуги из окружающего воздуха,
незначительно и расплавленный металл окисляется преимуще-
ственно водяным паром и углекислым газом, образующимися при
нагреве и расплавлении покрытия. Состав газов в атмосфере дуги
зависит и от режима сварки. Увеличение длины дуги приводит
к ухудшению защиты капель расплавленного металла, подсосу
3|3
Рис. 7-17. Влияние содержания
кислорода на механиче-
ские свойства металла
шва
Рис. 7-18. Изменение вязкости шлаков,
образующихся при плавлении
покрытий различных типов,
в зависимости от температуры
(А Гледхилл)
воздуха из окружающей атмосферы и повышению окисления
металла (см. рис. 7-13).
Кислород в металле резко ухудшает его механические и техно-
логические свойства (рис. 7-17). С повышением содержания кисло-
рода снижаются временное сопротивление, предел текучести,
ударная вязкость, ухудшаются ковкость, коррозионная стой-
кость, жаропрочность и другие свойства металла шва. Выделение
азота и водорода, а также окиси углерода из сварочной ванны
является в основном причиной образования пор (см § 6-4)
Получение плотных швов может быть достигнуто либо путем
снижения содержания газов в сварочной ванне ниже предела рас-
творимости при температуре кристаллизации (плавления), либо
обеспечением процесса дегазации металла сварочной ванны до
момента кристаллизации. Первый способ обеспечения плотных
швов реализуется при сварке электродами с фтористо-кальциевым
покрытием. Высокая температура прокалки, введение фторидов
и карбонатов в покрытие, хорошее раскисление ванны обеспечи-
вают низкое содержание водорода, азота и кислорода в металле
шва.
При сварке электродами с рудно-кислым, рутиловым и орга-
ническим покрытиями сварочная ванна содержит большое количе-
ство газов (водорода, кислорода). Благодаря этому образование
и выделение пузырьков газа (кипение ванны) происходит, когда
металл находится в жидком состоянии и имеет малую вязкость.
В этих условиях пузырьки свободно удаляются до момента кри-
сталлизации металла и поры не образуются.
Взаимодействие металла со шлаком. При плавлении элек-
тродного покрытия образуется шлак. Сварочные шлаки характе-
ризуются рядом свойств, к которым относят плотность, темпера-
турный интервал плавления, вязкость, поверхностное натяжение,
314
коэффициент линейного расширения и др. Свойства шлаКЙ
определяются его химическим составом (табл. 7-15 и 7-16).
Для обеспечения необходимых технологических характери-
стик электрода, химического состава металла шва и его качества
шлак должен удовлетворять определенным требованиям. Необ-
ходимо, чтобы шлак хорошо покрывал капли жидкого металла
и сварочную ванну, что возможно лишь при хорошем смачивании
металла шлаком. Смачиваемость зависит от поверхностного натя-
жения шлака и металла. Поверхностное натяжение сварочных
шлаков и межфазное натяжение на границах шлак—металл и
металл—газ оказывают значительное влияние на формирование
швов и размеры капель электродного металла в дуговом проме-
жутке.
Слой расплавленного шлака должен хорошо пропускать газы,
выделяющиеся из сварочной ванны в процессе кристаллизации.
При этом температурный интервал затвердевания шлака должен
находиться ниже температуры кристаллизации металла.
Одним из важнейших технологических свойств электродов
является возможность проведения сварки во всех простран-
ственных положениях. Эта возможность в значительной степени
зависит от вязкости шлака в расплавленном состоянии (рис. 7-18).
Шлаки с большим содержанием кремнезема (кривая 1) яв-
ляются «длинными», возрастание вязкости их с понижением тем-
пературы происходит медленно. Большие значения вязкости
этих шлаков обусловлены наличием крупных кремнекислородных
анионов типа [SiJD^ ]г~, отличающихся малой подвижностью.
Шлаки покрытий фтористо-кальциевого типа содержат, как
правило, малое количество кремнезема и являются «короткими».
Возрастание вязкости со снижением температуры у них происхо-
дит быстро. Количество и размеры кремнекислородных анионов
в шлаках этого типа невелико, и они обладают значительно мень-
шей вязкостью (кривые 3 и 4), чем шлаки с высоким содержанием
кремнезема. Для шлаков, основанных на рутиле (кривая 2),
вязкость резко уменьшается при снижении температуры.
Таблица 7-15
Примерный состав шлака некоторых электродных покрытий, % по массе
Рудно кислое
Рутиловое
Органическое
Фтористо кальциевое
37,2 —
27,0 43,2
18,8 29
15	9
1,7
0,3
2
27
4,0
3,0
8
4
5
2
315
Таблица ?-1ё
Свойства шлаков электродов с различными покрытиям^
(по данным Окада и Фукая)
Свойства шлака	Тип покрытия			
	Органиче- ское	Рутиловое	Фтористо- кальциевое	Рудно- кнслое
Условная температура плавления (точка пе- региба на кривой ох- лаждения), °C	1153	1218	1157	1138
Вязкость при температу- ре 1500° С, Пз	10	10	7	10
Поверхностное натяже- ние при температуре 1500° С, дин/см	350—400	350—400	350—400	
Коэффициент линейного расширения от темпе- ратуры 200° С до точки перегиба, 1/°С	11,5 - 10-е	4,3-10-6	9,9-10-6	10,0 10-е
Удельная электрическая проводимость, Ом-1 - см-1. при 1000°С	6,7	6,9	2,0	3,0
при 1500° С	9,8	11,0	6,5	5,6
Т епл опроводность, кал/см' °C с при 100°С	2,8	2,7	2,9	2,7
при 400° С	5,8	2,0	8,0	4,4
Плотность, г/см3 при комнатной тем пературе	3,6	3,3	3,1	3,9
при 1300° С (жид кий)	2,2	2,2	2,0	3,1
Электроды, покрытия которых при расплавлении дают «длин-
ные» шлаки, пригодны в основном для сварки в нижнем положе-
нии. Электроды с «короткими» шлаками применяют при сварке
во всех пространственных положениях. При небольшом снижении
температуры вязкость «короткого» шлака резко возрастает и шлак
препятствует стеканию металла, находящегося в жидком состоя-
нии. Получение шлака необходимой вязкости достигается подбо-
ром различных составляющих покрытия. Лучшие электроды для
сварки в вертикальном и потолочном положении имеют покрытия
рутилового типа.
Хорошая отделимость шлаковой корки с поверхности металла
шва достигается применением шлаков, коэффициент линейного
расширения которых существенно отличается от коэффициента
линейного расширения металла. Кроме того, для хорошей отде-
лимости шлака весьма важно, чтобы он имел малую окислитель-
ную способность и не содержал в своем составе шпинелеобразую-
щих окислов.
316
Важной характеристикой состава шлака является оснОЁнОсТк
Коэффициент основности шлака определяется обычно как соотно-
шение количества основных окислов к кислым:
к __ (%СаО) + (%MgO) + (%FeO) + (%МпО) + (%К2О) + (%NaaO)
Лосн	(%SiO2) + (%TiO2)
В соответствии с ионной теорией строения шлаков мерой
основности служит концентрация свободных ионов кислорода
в жидком шлаке. В оксидном расплаве ионы кислорода могут
быть связаны с двумя ионами кремния (Si—О—Si), с одним ионом
кремния и одним ионом металла (Si—О—Me) или с двумя ионами
металла (Me—О—Me). Свободными, т е. оказывающими окисля-
ющее действие на металл, являются в сущности лишь ионы кисло-
рода, связанные с ионами металла. Отсюда мерой основности
компонентов шлака может быть принята их способность увели-
чивать концентрацию кислородных ионов в шлаке путем разру-
шения кремнекислородных комплексных соединений.
Взаимодействие между металлом и шлаком происходит на всех
стадиях процесса сварки: при расплавлении стержня и покрытия
на торце электрода; в дуговом промежутке; при всплывании частиц
шлака в сварочной ванне, на поверхности раздела жидкий шлак —
жидкий металл и жидкий шлак—твердый металл.
Одним из главных процессов взаимодействия является окис-
ление расплавленного металла и ферросплавов.
В покрытиях рудно-кислого и органического типов окисление
металла и ферросплавов происходит в результате их взаимодей-
ствия с окислами железа и марганца, находящимися в шлаке.
В покрытии фтористо-кальциевого типа окисление ферросплавов
происходит за счет взаимодействия с углекислым газом и обра-
зующимися в процессе плавления окислами железа. При сварке
электродами с рутиловым покрытием в зависимости от состава
покрытия возможно окисление металла и ферросплавов окислами
шлаков, углекислым газом и парами воды. Процессы окисления
расплавленного металла и ферросплавов шлаком можно описать
следующими реакциями:
(FeO) + [Мп] (МпО) + [Fe];	(7-2)
2 (FeO) + [Si] (SiO2) + [Fe];	(7-3)
2 (FeO) + [Ti] (TiO2) + 2 [Fe],	(7-4)
(Fe2O8) + 3 [Mn] 3 (MnO) + 2 [Fe];	(7-5)
(Fe2O3) + 2 [All (A12O3) + 2 [Fe]	(7-6)
Если в покрытие введено сразу несколько ферросплавов, то
в первую очередь окисляются элементы, имеющие большее срод-
ство к кислороду. По степени убывания сродства к кислороду
элементы, вводимые в состав электродных покрытий, можно рас-
положить в следующий ряд: Са, Al, Ti, Si, Mn, Fe Каждый пре-
317
Рис. 7-19.
Изменение содержания марганца
и углерода в металле, наплав-
ленном электродами с покры-
тием фтористо-кальциевого и руд-
нокислого типов с различным со-
держанием ферромарганца
(Д. Сефериан)
Рис. 7-20.
Зависимость между содержанием закиси
железа в шлаках и содержанием кислорода
в металле шва (в виде FeO):
1	— покрытие фтористо -кальциевого типа;
2	— покрытие рудно-кислого типа (Л. М. Яро
винский н В. В. Баженов)
дыдущий элемент этого ряда будет восстанавливать окисли после-
дующих элементов при температурах, до которых нагреваются
жидкие шлак и металл в процессе сварки.
Направление реакций (7-2) — (7-6) зависит от концентрации
реагирующих веществ, температуры и активности отдельных соста-
вляющих покрытия. Например, при сварке электродами с рути-
ловым покрытием реакция (7-3) может протекать влево, при этом
кремний восстанавливается железом и переходит в металл шва.
Этот процесс в общем виде может быть описан реакцией
(SiO2) +2 [Me] [Si] + 2 (МеО),
где Me—Fe, Мп, Ti, Al и др.
При сварке покрытыми электродами кремневосстановитель-
ный процесс получает развитие преимущественно на стадии капли,
когда металл и шлак имеют высокую температуру. В жидкой
ванне, особенно в хвостовой части, в результате охлаждения
металла происходит окисление кремния. Интенсивность проте-
кания кремневосстановительного процесса в большой степени
зависит от состава шлака и его основности. Увеличение основ-
ности шлака способствует подавлению кремневосстановительного
процесса вследствие снижения активности SiO2.
Степень окисления ферросплавов зависит от состава покры-
тия. На рис. 7-19 приведены данные об изменении содержания
марганца и углерода в металле, наплавленном электродами с по-
крытиями фтористо-кальциевого и рудно-кислого типов, содер-
жащими различное количество низкоуглеродистого ферромар-
ганца. Окислительная способность рудно-кислого покрытия зна-
чительно выше, чем фтористо-кальциевого.
318
В зависимости от количества окислов железа в шлаке изме-
няется содержание кислорода в наплавленном металле. Соот-
ношение между концентрацией окислов железа в шлаке и кон-
центрацией кислорода в жидком металле определяется законом
распределения. Константа распределения зависит от состава
шлака и температуры и описывается уравнением
г _ [FeO]
FeO — (Fe0) .
На рис. 7-20 приведены данные о содержании кислорода
в металле при различном содержании закиси железа в шлаке
фтористо-кальциевого и рудно-кислого типов. Даже небольшие
количества закиси железа в.шлаке электродов с фтористо-каль-
циевым покрытием приводят к растворению в металле шва значи-
тельного количества кислорода, тогда как окисляющая способ-
ность закиси железа в шлаке электродов рудно-кислого типа зна-
чительно меньше. В шлаках фтористо-кальциевого типа закись
железа находится в свободном состоянии и обладает большой
активностью, в шлаках рудно-кислого типа она связана преиму-
щественно в виде силикатов железа.
Окисленный во время сварки металл необходимо раскислить,
т. е. удалить из него кислород, находящийся в металле в виде
различных окислов. Процессы раскисления и окисления происхо-
дят при сварке одновременно. Наиболее полно процесс раскисле-
ния произойдет в том случае, если окислы, попадая в шлак,
связываются в сложные соединения, не растворимые в стали
(силикаты, алюмосиликаты). В связи с большой скоростью кри-
сталлизации сварочной ванны значительная часть образующихся
окислов — продуктов раскисления не успевает всплыть и остается
в металле шва в виде неметаллических включений. Полнота уда-
ления продуктов раскисления из жидкого металла в большой
степени зависит от их состава и свойств. Количество кислорода,
находящегося в металле шва в виде неметаллических включений,
зависит от состава покрытия (рис. 7-21).
Приведенные в табл. 7-17 данные показывают, что наиболее
полное удаление продуктов раскисления имеет место при сварке
электродами с фтористо-кальциевым и рутиловым покрытиями.
Рис. 7-21. Зависимость содержания общего [О] и
растворенного кислорода [FeO] в на-
плавленном металле от молярной доли
[FeO] в покрытии электродов различ-
ного типа:
1	— фтористо-кальциевое;
2	— рутиловое,
3	— органическое,
4	— ильменитовое,
5	— рудно-кислое
319
Таблица 7-17
Общее и истинное содержание марганца и кремния в металле,
наплавленном электродами с покрытиями различных типов, %
Тип покрытия	д- \о о 7? g	О S с g	О о		g \о о	““(is]	О	
			Мпист	g \о о 1				g \о С/5
Рудно-кислое 		0,41	0,33	80		0,08	0,04	50	
Рутиловое		0,69	0,65	94		0,04	0,37	93	
Органическое ....	0,33	0,28	85		0,14	0,09	64	
Фтористо-кальциевое	0,78	0,75	96		0,54	0,52	96	
Весьма вредными примесями в металле шва являются сера
и фосфор. В металл шва сера и фосфор попадают из основного
металла, электродного стержня и покрытия. Коэффициенты пере-
хода серы из основного металла, электродного стержня и покры-
тия неодинаковы. Из основного металла сера почти полностью
переходит в металл шва. Переход серы из стержня меньше, чем
из основного металла, но значительно больше, чем из покрытия.
Это свидетельствует о неодинаковой интенсивности взаимодей-
ствия расплавленных основного и электродного металлов со
шлаком.
Сварочные шлаки вследствие своей сравнительно низкой основ-
ности не способны связать значительное количество фосфора
и серы. Ввиду этого для получения металла шва высокого каче-
ства с малым содержанием серы и фосфора следует применять
электродные стержни и составляющие покрытия с минимальным
содержанием этих элементов.
Электроды для сварки углеродистых и низколегированных
сталей. Для сварки углеродистых и низколегированных сталей
применяют преимущественно электроды с рудно-кислым, рутило-
вым, органическим и фтористо-кальциевым покрытиями. Наи-
большее распространение в нашей стране получили электроды
с рутиловым покрытием. Доля электродов с рутиловым покры-
тием в настоящее время составляет около 70% общего выпуска
электродов. Для сварки особо ответственных конструкций при-
меняют главным образом электроды с фтористо-кальциевым покры-
тием. Доля отечественных электродов с органическим покрытием
невелика. Эти электроды применяют главным образом при строи-
тельстве магистральных трубопроводов. Все более широкое рас-
пространение получают высокопроизводительные электроды с же-
лезным порошком в покрытии на рутиловой и фтористо-кальциевой
шлакообразующей основе.
Все указанные электроды изготовляют с использованием сва-
рочной проволоки Св-08 и Св-08А. Легирование металла шва
•Ж
при сварке электродами этой группы осуществляется путем вве-
дения легирующих составляющих в покрытие.
Электроды со стабилизирующим покрытием. Стабилизирующее
покрытие наносят на электродный стержень тонким слоем. Масса
покрытия составляет обычно 1—2% массы стержня.
Повышение устойчивости горения дуги достигается введением
в состав покрытия соединений калия и натрия (хромата, бихро-
мата, силиката, карбоната и др.), а также карбонатов кальция,
магния или бария. Наличие в покрытии солей щелочных и щелоч-
ноземельных металлов приводит к уменьшению энергии, выделя-
емой на катоде при сварке постоянным током прямой полярности,
вследствие чего резко снижается скорость плавления электрода.
Из-за больших потерь от угара и разбрызгивания, малой ско-
рости расплавления, отсутствия возможности производить сварку
на повышенных токах электроды со стабилизирующим покрытием
обладают весьма низкой производительностью.
Механические свойства металла шва, сваренного электродами
со стабилизирующим покрытием, низкие и практически не отли-
чаются от свойств металла шва, сваренного голой проволокой.
Вследствие этого электроды со стабилизирующим покрытием
применяют чрезвычайно редко, лишь для сварки неответствен-
ных изделий.
Электроды с рудно-кислым покрытием. Шлакообразующую
основу рудно-кислого покрытия составляют окислы железа и мар-
ганца (преимущественно в виде руд) и различные алюмосиликаты
(полевой шпат, пегматит, гранит и др.). Газовая защита распла-
вленного металла в основном обеспечивается за счет разложения
органических составляющих покрытия (оксицеллюлозы, крах-
мала, декстрина, древесной муки). Раскисление металла осуще-
ствляется марганцем, который вводят в покрытие в виде ферро-
марганца. При сварке электродами с рудно-кислым покрытием
активно протекают реакции окисления марганца (7-2) и железа:
Fe2O3 + Fe = 3FeO.	(7-7)
Реакция (7-7) приводит к обогащению жидкого металла кисло-
родом. Значительное количество теплоты, выделяющейся при
окислении марганца, обеспечивает высокую скорость расплавле-
ния электрода. Основная часть марганца в ферромарганце в про-
цессе сварки окисляется, и лишь небольшая часть переходит в ме-
талл шва. Металл, наплавленный электродами с рудно-кислым
покрытием, по химическому составу чаще всего соответствует
кипящей стали и содержит до 0,12% С, до 0,10% Si, 0,6—0,9% Мп,
до 0,05% S и до 0,05% Р. Содержание газов обычно находится
в следующих пределах: 0,09—0,12% кислорода, 0,015—0,025%
азота, 20—25 см3/100 г водорода.
Электроды с рудно-кислым покрытием позволяют производить
сварку переменным и постоянным током. При нормальной тол-
щине покрытия (коэффициент массы покрытия 30—40%) эти элек-
троды пригодны для сварки во всех пространственных положе-
21 Заказ № 782	321
Таблица 7-18
Технологические характеристики электродов
с покрытием рудно-кислого типа
Марка электрода	Коэффициент наплавки, г/А»ч	Коэффициент потерь, %	Коэффициент набрызгивания, %
ОММ-5 		6,5—7,2	15—20	10—14
ЦМ7 		9,0—10,0	10—20	8—15
ЦМ7с 		10,0—12,5	5—15	—
ЦМ8 		9,0—11,0	8—10	—
ниях. При большой толщине покрытия электроды применяются
только для сварки в нижнем положении. В табл, 7-18 приведены
некоторые технологические характеристики электродов с рудно-
кислым покрытием.
Металл швов, выполненных электродами с рудно-кислым по-
крытием, склонен к образованию кристаллизационных трещин.
Это обусловлено высоким содержанием в нем газов и неметалли-
ческих включений.
Шлаки, образующиеся при расплавлении рудно-кислых по-
крытий, обладают сравнительно небольшой способностью обессе-
ривать металл шва. По вышеизложенным причинам электроды
с рудно-кислым покрытием не рекомендуется применять для
сварки сталей с повышенным содержанием серы и углерода,
а также для сварки жестких конструкций, в которых могут воз-
никать значительные напряжения.
Электроды с рудно-кислым покрытием позволяют сваривать
металл с ржавыми кромками и окалиной, вести сварку удлинен-
ной дугой и обеспечивают при этом получение плотных швов.
Поры при сварке электродами этого типа могут возникать при
чрезмерно высокой температуре их прокалки, при повышенном
содержании марганца в покрытии, при сварке сталей с высоким
содержанием кремния или серы.
Высокотемпературная прокалка рудно-кислого покрытия спо-
собствует снижению парциального давления водорода и паров
воды в атмосфере дуги, а следовательно, и снижению содержания
водорода в сварочной ванне. В результате степень пересыщения
металла газом уменьшается и при снижении температуры расплав-
ленного металла процесс дегазации идет медленно. Вялое кипение
не обеспечивает дегазации металла до момента кристаллизации,
и в металле образуются поры.
Высокотемпературная прокалка электродов и чрезмерное рас-
кисление марганцем способствуют развитию кремневосстанови-
тельного процесса и повышению концентрации кремния в жидком
металле. Кремний, будучи поверхностно-активным элементом,
адсорбируется на поверхности металла и ухудшает условия дега-
зации. Выделение газов при этом протекает медленно, что вызы-
322
вает образование пор. Аналогичное влияние на условия дегазации
металла оказывает сера, которая также обладает поверхностной
активностью.
По механическим свойствам металла шва и сварного соедине-
ния электроды с рудно-кислым покрытием, как правило, относятся
к типу Э42 (ГОСТ 9467—60). До недавнего времени электроды
с рудно-кислым покрытием были наиболее массовыми. Наличие
в покрытии значительного количества окислов железа и ферро-
марганца при сварке этими электродами обусловливает выделе-
ние в зону дыхания сварщика большого количества токсичных
соединений марганца. В связи с повышенной токсичностью объемы
выпуска электродов с рудно-кислым покрытием в последние годы
резко сократились. Их заменили электроды с рутиловым покры-
тием.
Электроды с рутиловым покрытием. Шлакообразующую основу
рутиловых покрытий составляют рутиловый концентрат, различ-
ные алюмосиликаты (слюда, полевой шпат, каолин и др.) и кар-
бонаты (мрамор, магнезит). Газовая защита расплавленного ме-
талла обеспечивается за счет разложения органических состав-
ляющих покрытия, а также карбонатов. Раскисление металла
осуществляется главным образом марганцем, вводимым с ферро-
марганцем.
Известные рутиловые покрытия условно можно разделить
на две подгруппы: рутилалюмосиликатные и рутилкарбонатные.
Шлакообразующую основу покрытий первой подгруппы соста-
вляют рутил и различные алюмосиликаты. Содержание карбона-
тов в них, как правило, не превышает 5%. Покрытия второй под-
группы содержат 10—15% карбонатов. В рутиловых покрытиях
основными окислителями являются пары воды и углекислый газ.
Важное значение имеют окислительно-восстановительные реак-
ции марганца и кремния, в значительной мере определяющие
наличие силикатных неметаллических включений в металле шва,
а следовательно, и его механические свойства. При сварке элек-
тродами с рутилкарбонатным покрытием кремневосстановитель-
ный процесс получает меньшее развитие, чем при сварке электро-
дами с рутилалюмосиликатным покрытием. Этому способствуют
более высокие основность шлака и окислительный потенциал
атмосферы дуги.
С увеличением основности шлака снижается количество неме-
таллических включений и кислорода в металле шва (рис. 7-22),
повышаются его пластические свойства и стойкость против об-
разования кристаллизационных трещин. На рис. 7-23 приве-
дена зависимость ударной вязкости металла шва от основности
шлака.
Благодаря указанным факторам электроды с рутилкарбонат-
ным покрытием обеспечивают более высокое качество металла
шва, чем электроды с рутилалюмосиликатным покрытием. Рутил-
карбонатные покрытия имеют отечественные электроды марок
21*	323
Основность шлака
Рис. 7-22. Влияние основности рути-
лового шлака на содер-
жание кислорода и крем-
ния в металле шва
ан^гсн/см?
Основность шпака
Рис. 7-23. Влияние основности шлака
рутиловых электродов на
ударную вязкость металла
швов
АНО-3, АНО-4, АНО-5, АНО-12, МР-1, МР-3; рутилалюмосили-
катные покрытия — электроды АНО-1, ОЗС-З, ОЗС-4, ОЗС-6,
ЦМ-9.
Металл, наплавленный электродами с рутиловым покрытием,
по химическому составу соответствует полуспокойной или спо-
койной стали и содержит до 0,12% С; 0,5—0,8% Мп; 0,10—
0,30% Si; до 0,05% S и до 0,05% Р. Содержание газов в металле
швов, выполненных электродами с рутиловым покрытием, обычно
находится в следующих пределах: 0,05—0,10% кислорода, 0,015—
0,025% азота, 25—30 см®/100 г водорода.
Электроды с рутиловым покрытием обладают высокими сва-
рочно-технологическими свойствами: обеспечивают отличное фор-
мирование швов с плавным переходом к основному металлу,
малые потери металла от разбрызгивания, легкую отделимость
шлаковой корки, стабильное горение дуги при сварке на пере-
менном и постоянном токе любой полярности. Металл шва, сва-
ренного электродами с рутиловым покрытием, мало склонен
к образованию пор при колебаниях длины дуги, при сварке влаж-
ного и ржавого металла, при сварке по окисленным поверхностям.
Причины образования пор при сварке электродами этого типа та-
кие же, как и при сварке электродами с рудно-кислым покрытием.
Стойкость металла швов против образования кристаллизацион-
ных трещин несколько выше, чем у электродов с рудно-кислым
покрытием.
В зависимости от толщины покрытия электроды могут быть
предназначены для сварки либо во всех пространственных поло-
жениях, либо только в нижнем положении; от толщины покрытия
зависят и технологические свойства электродов. По технологи-
ческим свойствам и содержанию железного порошка в покрытии
электроды условно могут быть разделены на три группы
(табл, 7-19).
324
Таблица 7-19
Технологические характеристики отечественных электродов
с рутиловым покрытием
Показатель	Группа		
	I	II	Ш
Количество железного по- рошка в покрытии, %	0—20	30—35	50—65
Марки электродов		АНО-4, АНО-3,	АНО-5, ОЗС-6,	АН0-1, ОЗС-З,
	МР-3, АНО-12,	ЗРС-2, РБУ-5	ЗРС-1
Положение швов в про- странстве 		ОЗС-4, МР-1, РБУ-4, ЦМ-9, ОЗС-12 Любое	Любое,	Нижнее,
Коэффициент массы покры- тия, %		 Коэффициент	наплавки, г/(А-ч)		35—50	преимуще- ственно нижнее 50—65	наклонное 100—180
	8,0—9,0	9,0—12,0	12,0—18,0
Производительность	на- плавки для электрода диа- метром 4 мм, г/мин . . .	23—30	35—40	65—70
В покрытиях электродов первой группы железный порошок
введен в небольших количествах (до 15—20%) с целью улучше-
ния сварочно-технологических свойств электродов, а именно:
устойчивости горения дуги, равномерного плавления покрытия,
снижения разбрызгивания расплавленного металла и т. д. Произ-
водительность электродов при этом возрастает мало. Основное
назначение электродов первой группы — сварка металлов сред-
ней толщины (3—12 мм) в монтажных и заводских условиях, где
преобладают короткие и криволинейные швы, расположенные
в различных пространственных положениях.
В покрытиях электродов второй группы железный порошок
содержится в количестве 30—35%. Введение в покрытие такого
количества железного порошка с одновременным увеличением
толщины покрытия (до определенных пределов) позволяет не
только улучшить сварочно-технологические свойства электродов,
но и повысить их производительность. Электроды второй группы
называют универсальными электродами повышенной произво-
дительности.
Этими электродами можно сваривать во всех пространствен-
ных положениях, но наиболее эффективно их применение в за-
водских условиях, где большинство швов сваривают в нижнем
положении. Электроды второй группы следует применять при
326
Рис. 7-24.
Количество пыли и окислов мар-
ганца, выделяющихся при сжи-
гании 1 кг электродов с рути-
ловым и рудно-кислым покры-
тиями
сварке швов большой про-
тяженности с большим ка-
тетом при толщине основ-
ного металла 10—20 мм.
Электроды третьей
группы (с высоким содер-
жанием железного порош-
Злектроды	ка) называют высоко-
производительными. Эти
электроды пригодны для сварки конструкций только в нижнем
или наклонном положениях. Рекомендуются главным образом для
заводской сварки при наличии швов большой протяженности.
В отличие от рудно-кислых рутиловые покрытия обеспечивают
более благоприятные санитарно-гигиенические характеристики
электродов. На рис. 7-24 приведены данные о выделении пыли
и токсичных окислов марганца при сварке электродами с рути-
ловым и рудно-кислым покрытиями различных марок.
По механическим свойствам металла шва и сварного соедине-
ния электроды с рутиловым покрытием чаще всего относятся
к типам Э42-Э46 и предназначены для сварки ответственных кон-
струкций из низкоуглеродистых и низколегированных сталей
(табл. 7-20).
Благодаря высоким сварочно-технологическим свойствам, меха-
ническим свойствам металла шва и благоприятным санитарно-
гигиеническим характеристикам электроды с рутиловым покры-
тием получили очень большое распространение в различных отрас-
лях народного хозяйства. Широкое внедрение этих электродов
взамен электродов с рудно-кислым покрытием позволило корен-
Таблица 7-20
Механические свойства металла швов,
выполненных отечественными электродами с рутиловым покрытием
Марка электрода	Тип покрытия	V кгс/мм2	ffB, кгс/мм2	в, %	ян, кгс«м/см* при температуре	
					4-20° с	—40» С
АНО-4	Рутил- карбонатное	38—40	47—49	25—28	14—16	9—11
АНО-5	То же	35—38	45—50	24—28	12—15	8—10
МР-3	»	37—39	47—49	24—28	14—16	8—10
ОЗС-4	Рутил-алюмо- силикатное	37—39	47—50	22—24	10—13	6—8
326
НЫМ образом улучшить сйнитарно-ГиРиенийескиё усЛобия Труда
сварщиков и рабочих смежных профессий и дало народному
хозяйству большой экономический эффект.
Электроды с ильменитовым покрытием. Название это покрытие
получило от минерала ильменита (FeO-TiO2). Концентрат ильме-
нита является основной составляющей покрытия, в которое могут
входить также марганцевая руда, алюмосиликаты, карбонаты,
ферросплавы и органические составляющие.
В нашей стране к этой группе можно отнести электроды ма-
рок ОММ-5 и СМ-5, покрытия которых иногда относят к рудно-
кислому типу. Шлакообразующую основу этих покрытий соста-
вляет ильменитовый концентрат Кусинского месторождения, со-
держащий до 50% окислов железа. Указанные электроды имеют
ряд серьезных недостатков — повышенное разбрызгивание ме-
талла, неблагоприятные гигиенические характеристики и т. п.,
что обусловлено высоким содержанием окислов железа в покры-
тии. Использование ильменитового концентрата Самотканского
месторождения, содержащего не более 30—35% окислов железа,
позволило создать новые электроды.
Низкое содержание окислов железа в покрытии позволило
улучшить сварочно-технологические и гигиенические характе-
ристики электродов и качество выполняемых ими швов. Новые
электроды с ильменитовым покрытием, которым присвоена
марка АНО-6, предназначены для сварки низкоуглеродистых ста-
лей во всех пространственных положениях. Они рекомендованы
для работы в монтажных условиях и для заводской сварки.
По сварочно-технологическим свойствам электроды АНО-6 при-
ближаются к электродам с рутиловым покрытием. По механи-
ческим свойствам металла шва они относятся к типу Э42 по
ГОСТ 9467—60. Производительность электродов АНО-6 на 15—
20% выше, чем электродов типа ОММ-5. Они выпускаются в боль-
ших количествах и применяются в различных отраслях промыш-
ленности.
Электроды с фтористо-кальциевым покрытием. Шлакообра-
зующую основу фтористо-кальциевого покрытия составляют пла-
виковый шпат (CaF2) и карбонаты кальция и магния (мрамор,
мел, магнезит). Газовая защита расплавленного металла обеспе-
чивается за счет углекислого газа, образующегося при разложе-
нии карбонатов. Раскисление металла осуществляется марган-
цем, кремнием, титаном или алюминием, вводимыми в покрытие
в виде соответствующих ферросплавов или металлических по-
рошков.
Главным окислителем при сварке электродами с фтористо-
кальциевым покрытием является газовая фаза. Шлаки имеют низ-
кую концентрацию окислов железа и поэтому не играют суще-
ственной роли в окислении жидкого металла. Применение актив-
ных раскислителей (кремния, титана, алюминия) обеспечивает
низкое содержание кислорода в жидком металле. Хорошая рафи-
327
пирующая способность фтористо-кальциевых шлаков, обуслов-
ленная их высокой основностью и низкой вязкостью, способствует
почти полному удалению из расплавленного металла продуктов
раскисления. Благодаря этому содержание кислорода в металле
шва составляет 0,03—0,05 %, а количество неметаллических вклю-
чений не превышает 0,1%.
Содержание азота в металле шва при этом находится в пре-
делах 0,010—0,015%. Однако при удлинении дуги содержание
азота в металле шва значительно возрастает. Объясняется это
тем, что фтористо-кальциевые шлаки плохо покрывают капли
электродного металла и сварочную ванну и не обеспечивают на-
дежной шлаковой защиты металла от воздуха. Электроды с фто--
ристо-кальциевым покрытием обеспечивают низкое содержание
водорода (5—7 см3/100 г) в металле. Поэтому их часто называют
«низководородными».
Удлинение дуги ухудшает газовую защиту, вследствие чего
в расплавленном металле увеличивается содержание азота, кото-
рый, выделяясь при кристаллизации сварочной ванны, вызывает;
пористость швов. Для предупреждения пористости необходимо
производить сварку короткой дугой.
Металл, наплавляемый электродами с фтористо-кальциевым
покрытием, по химическому составу соответствует спокойной
стали. Содержание марганца и кремния зависит от назначения
электродов и колеблется в пределах 0,5—1,5% Мп и 0,3—0,6% Si.
Содержание серы и фосфора не превышает 0,035% каждого. Низ-
кое содержание этих элементов обусловлено повышенной рафини-
рующей способностью фтористо-кальциевых шлаков. Благодаря
малому содержанию газов, неметаллических включений и вредных
примесей металл швов, выполненных электродами с фтористо-
кальциевым покрытием, стоек против старения, имеет высокие
показатели ударной вязкости как при положительных, так и при
отрицательных температурах и обладает повышенной стойкостью
против образования кристаллизационных трещин. Эти электроды
особенно пригодны для сварки металла большой толщины, жест-
ких конструкций из литых углеродистых, низколегированных
высокопрочных сталей и сталей с повышенным содержанием серы
и углерода.
Металл, наплавленный электродами с фтористо-кальциевым
покрытием, весьма чувствителен к образованию пор при наличии
ржавчины или масла на кромках свариваемых изделий, а также
при увлажнении покрытия и удлинении дуги. Для получения
плотного металла необходимо, чтобы влажность фтористо-каль-
циевого покрытия, определенная после прокалки при темпера-
туре 400° С, не превышала 0,2%. Поскольку при транспортировке
и хранении электроды могут адсорбировать влагу из окружающей
атмосферы, перед сваркой их необходимо подвергать прокалке
при температуре 300—350° С. Кромки металла следует очищать
от ржавчины и загрязнений.
328
Таблица 7-21
Сварочно-технологические характеристики отечественных электродов
с фтористо-кальциевым покрытием
Марка электрода	Род тока и полярность	Коэффи- циент наплавки, г/(А-ч)	Коэффи- циент потерь, %	Коэффи- циент набрызгива- ния, %
УОНИ-13/45	Постоянный, обрат-	8—9	5—9	3—6
	ной полярности			
АНО-7	То же	8—9	3—7	1,5—3
СМ-11	»	9—10	—	1,5—3
Примечание. Коэффициент массы покрытия электродов 30—40%
В зависимости от назначения электроды с фтористо-кальциевым
покрытием можно применять для сварки во всех пространствен-
ных положениях или только в нижнем положении. Сварку этими
электродами производят, как правило, постоянным током обрат-
ной полярности. Разработано несколько марок электродов этого
типа для сварки переменным током. В покрытие таких электродов
введены обычно соединения калия (поташ, калиевое стекло
и др.). Наибольшее распространение получили электроды марок
УОНИ-13/45 и УОНН-13/55. Однако эти электроды, как и многие
другие электроды с фтористо-кальциевым покрытием, недоста-
точно технологичны в изготовлении. В последние годы созданы
новые марки электродов этого типа АНО-7 и АНО-8 с покрытиями,
более технологичными в изготовлении (табл. 7-23).
Регулирование механических свойств металла шва осуще-
ствляется введением в покрытие различного количества ферро-
марганца и ферросилиция, чем достигается изменение степени
легирования металла марганцем и кремнием. При необходимости
металл шва легируют также
хромом, молибденом и другими
элементами. Путем сравнитель-
но небольшого легирования
можно изменять механические
свойства металла шва в широ-
ких пределах (табл. 7-22).
Электроды с органическим
покрытием. Покрытия органи-
ческого типа содержат боль-
шое количество органических
составляющих, разлагающихся
в процессе плавления электрода
и обеспечивающих- газовую за-
щиту расплавленного металла.
329
Таблица 7-22
Влияние легирующих элементов
на механические свойства
металла шва
Содержание, %
я
в
с
Si
Мп
Сг
Мо
о «
0,08
0,08
0,08
0,08
0,12
0,15
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
1,5
0,7
1,5
0,8
0,8
1,0
1,0
0,6
0,5
0,5
0,2
48
55
60
70
80
90
35
30
25
25
15
12
Таблица 7-23
Механические свойства швов, выполненных некоторыми электродами
с фтористо-кальциевым покрытием
Марка электрода	Тип электро- да по ГОСТ 9467—60	кгс/мм2	кгс/мм2	6. %	аи, кгс-м/см2 при температуре, °C	
					4-20	—40
УОНН-13/45 .	Э42А	35—38	45—50	25—30	22—26	16—20
У ОНИ-13/55 . . .	Э50А	40—44	52—54	24—28	18—22	12—16
СМ-11			Э42А	36—38	48—50	26—29	20—25	14—17
АНО-7 		Э50А	40—44	52—56	26—30	20—25	14—16
АНО-8 ....	Э46А	37—40	48—52	28—33	22—27	15—20
Шлакообразующими добавками являются рутил, титановый кон-
центрат, марганцевая руда, алюмосиликаты и карбонаты. Рас-
кислителем служит ферромарганец. Электроды этого типа имеют,
как правило, небольшую толщину покрытия (коэффициент массы
покрытия — 15—25%) и при сварке образуют небольшое коли-
чество шлака. Эти электроды особенно пригодны для сварки во
всех пространственных положениях (на монтаже) и при недоста-
точно хорошей сборке конструкций. Они могут применяться при
сварке постоянным и переменным током.
Особенностью электродов этого типа являются очень боль-
шие (до 20%) потери расплавленного металла от разбрызгивания.
Органическое покрытие не допускает перегрева в процессе сушки
и при сварке. Выгорание органических составляющих покрытия
при его перегреве приводит к изменению химического состава
металла шва по его длине. Металл, наплавленный электродами
с органическим покрытием, по химическому составу соответствует
полуспокойной или спокойной стали. Содержание газов обычно
находится в следующих пределах: 0,04—0,10% кислорода, 0,01—
0,02% азота, 25—35 см3/100 г водорода. По механическим свой-
ствам металла шва электроды с органическим покрытием соот-
ветствуют типам Э42—Э50.
В нашей стране электроды с органическим покрытием приме-
няют главным образом для сварки трубопроводов в монтажных
условиях. Наибольшее распространение получили электроды
ВСЦ-4 и ВСЦ-4А, специально предназначенные для сварки первого
слоя шва поворотных и неповоротных стыков трубопроводов из
низкоуглеродистых и низколегированных сталей (табл. 7-24).
Электроды для сварки с глубоким проваром. Покрытие элек-
тродов этого вида содержит значительное количество оксицеллю-
лозы (5—30%), двуокиси титана (чаще всего в виде рутила) и кар-
боната железа (FeCO3); его наносят на стержень слоем большой
толщины (коэффициент массы покрытия достигает 80—100%).
В качестве шлакообразующей основы часто используют также
ззо
Таблица 7-24
Механические свойства металла шво5,
выполненных электродами ВСЦ-4 и ВСЦ-4А
Марка электрода	Тип элек- трода по ГОСТ 9467—60	2 2 еГ «	SWW/OJH во ..	б. %	ан, кгс-м/см2 при темпера- туре, °C			
					20+	-20	—40	-60
ВСЦ-4	. . .	Э42-0	35—49	44—52	20—28	11—16	9—13	7—10	4—6
ВСЦ-4А		Э50-0	40—48	51—60	18—28	10—16	9—14	7—9	4—5
покрытие рудно-кислого типа. Для электродов с глубоким про-
варом характерна большая втулочка из нерасплавившегося по-
крытия на конце электрода. При нагреве органических соста-
вляющих покрытия происходит их разложение с образованием
газов. Большое количество выделяемой в дуге энергии и мощный
газовый поток обеспечивают глубокое проплавление металла.
Высокопроизводительные электроды. Характерной особенно-
стью высокопроизводительных электродов является высокое со-
держание железного порошка в покрытии (40—60%) и большая
толщина покрытия (коэффициент массы покрытия составляет
120—180%). Высокая производительность электродов достигается
за счет дополнительного металла, содержащегося в покрытии,
снижения потерь металла от разбрызгивания и более высоких
допустимых сварочных токов.
На рис. 7-25 приведены данные по производительности элек-
тродов, содержащих различное количество железного порошка
в покрытии. При сварке на оптимальных токах производитель-
ность электродов с содержанием 50% железного порошка в 1,5—-
2 раза выше, чем электродов без порошка. Существенную роль
в увеличении производительности процесса играет и более высо-
кая мощность сварочной дуги.
Плавление покрытия высокопроизводительных электродов со-
провождается образованием на торце электрода глубокой втулочки
из неоплавившегося покрытия
(рис. 7-26), которая, экранируя
столб дуги, увеличивает его дли-
ну и мощность. В результате
Рис. 7-25. Производительность рутило-
вых электродов с разным со-
держанием железного порошка
в покрытии:
1	- 50%:
2	- 30%;
3	— 0% железного порошка.
Значения допустимых то-
ков — на пересечении пря-
мых с линией АВ (Д. Л
Матиас)
331
Рис. 7-26.
Влияние толщины по-
крытия на размеры вту-
лочки и длину дуги
мощность столба дуги, роль которого в плавлении тонкопокрытых
электродов невелика, оказывает существенное влияние на ско-
рость плавления и на производительность электродов с железным
порошком в покрытии и большим коэффициентом массы покры-
тия. Коэффициент наплавки высокопроизводительных электродов
с железным порошком составляет в зависимости от диаметра
стержня, режима сварки и коэффициента массы покрытия 12—•
20 г/А-ч. В электродах некоторых марок масса наплавленного
металла в 1,5—-2 раза превышает массу электродного стержня.
В качестве шлакообразующей основы высокопроизводитель-
ных электродов используют покрытия рудно-кислого, фтористо-
кальциевого или рутилового типов. В нашей стране наибольшее
распространение получили высокопроизводительные электроды
с рутиловым покрытием (табл. 7-25).
Для сварки высокопроизводительными электродами зачастую
необходимы источники питания с повышенным напряжением
холостого хода. На рис. 7-27 приведена зависимость напряжения
дуги от силы тока при сварке высокопроизводительными электро-
дами и обычными электродами с рудно-кислым покрытием. По ме-
ханическим свойствам металла шва и сварного соединения
высокопроизводительные электроды чаще всего соответствуют
типу Э42—Э50 (рутиловая или рудно-кислая шлакообразующая
основа) и Э50А (фтористо-кальциевая шлакообразующая основа).
Их рекомендуется применять для сварки в заводских условиях
Таблица 7-25
Технологические свойства некоторых высокопроизводительных электродов
Марка электрода	Тип элек- трода по ГОСТ 9467—60	Вид покрытия	Коэффи- циент наплавки, г/(А.ч)	Коэффи- циент набрызгива- ния, %	Выход наплавлен- ного металла, %
АНО-1 АН0-10	Э42 Э50А	Рутиловое Фтористо-каль- циевое	15—17 12—13	1,5—3,5 2,0—3,5	150—180 140—160
332
Рис. 7-27. Зависимость напряжения Дугй от сй-
лы тока при сварке электродами раз-
личных типов:
/ — 3 — высокопроизводительные элек-
троды с диаметром стержня со-
ответственно 3,25, 4 и 5 мм,
4—7 — обычные электроды с рудно-
кислым покрытием и диаметром
стержня соответственно 3 25, 4,
5 и 6 мм
конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных сталей,
где преобладают швы большой длины.
Электроды для сварки вертикальных швов способом сверху
вниз. Ручную дуговую сварку вертикальных швов выполняют,
как правило, способом снизу вверх. Сила сварочного тока обычно
не превышает 140—160 А, что вызвано необходимостью ограни-
чения объема и жидкотекучести сварочной ванны. Возможности
электрода при этом используются не полностью, производитель-
ность сварки снижается. Способ сварки сверху вниз позво-
ляет значительно повысить силу тока и производительность
(рис. 7-28).
Для сварки способом сверху вниз необходимо обеспечить
такие физико-химические свойства шлака и металла (вязкость,
межфазное натяжение на границе раздела шлак—металл и др.),
которые способствовали бы малой жидкотекучести сварочной
ванны, хорошему формированию металла шва, получению необ-
ходимого провара.
К этой группе относятся электроды марки АНО-9 (тип Э50А-Ф).
Они рекомендуются специально для высокопроизводительной
сварки способом сверху вниз угловых, нахлесточных и стыковых
швов, находящихся на вертикальной плоскости. При этом обеспе-
чиваются отличное формирование металла шва, незначительные
потери металла от разбрызгивания и самопроизвольное отделение
шлаковой корки. Провар умеренный. Линейная скорость сварки
однопроходных швов электродами АНО-9 в 1,8—2 раза, а много-
проходных в 1,2—1,3 раза больше, чем скорость сварки однотип-
ных швов способом снизу вверх известными
электродами типа Э50А-Ф.
Электроды для сварки вертикальных швов
хх	способом сверху вниз применяются в судо-
]	строении, вагоностроении и других отраслях
промышленности.
7	Электроды для сварки легированных ста-
J	лей. Электроды для сварки легированных теп-
лоустойчивых сталей подразделены в соответ-
ствии с ГОСТ 9467—60 на семь типов, отличаю-
Рис. 7-28. Схема сварки вертикальных швов способом
—"	сверху вниз
333
щихся механическими свойствами после термообработки и химиче-
ским составом металла шва (табл. 7-26). Электроды этой группы
имеют обычно фтористо-кальциевое покрытие. Исключение состав-
ляют электроды ЦЛ-6 иЦЛ-14, которые имеют рудно-кислые покры-
тия. Легирование металла шва осуществляется как через покрытие,
так и через стержень. В связи с наличием структурных превраще-
ний и закалочных явлений в основном металле сварку электро-
дами этой группы, как правило, следует выполнять с предвари-
тельным и сопутствующим подогревом изделий. После сварки
необходима термообработка сварных соединений или изделия
в целом, чаще всего в виде высокотемпературного отпуска, а иногда
нормализации с отпуском (табл. 7-27).
Электроды для сварки среднелегированных высокопрочных
сталей. Особенностью сварки сталей этой группы является боль-
шая склонность швов и сварных соединений к образованию кри-
сталлизационных и холодных трещин, а также к хрупкому раз-
Таблица 7-26
Свойства металла швов, выполненных электродами
для сварки теплоустойчивых сплавов (ГОСТ 9467—60)
Типы электродов	Содержание, %								
	с	Si	Mn		Cr			Мо	
э-м	 э-мх	 э-хм	 Э-ХМФ 	 Э-ХМФБ	.	.	.	. Э-Х2МФБ	.	.	.	. Э-Х5МФ	.	.	.	.	0,06—0,12 0,06—0,12 0,06—0,12 0,08—0,13 0,08—0,13 0,08—0,13 0,08—0,13	==£0,35 ==£0,35 0,15—0,45 0,15—0,45 0,15—0,45 0,15—0,45 0,15—0,45	0,4— 0,4— 0,5— 0,5— 0,5— 0,5- 0,5-	0,8 0,8 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9	0,3—0,6 0,7—1,0 0,8—1,2 1,0—1,4 2,4—3,0 4,5—5,0			0,4—0,7 0,4—0,7 0,4—0,7 0,4—0,7 0,7—1,0 0,7—1,0 0,4—0,7	
	Содержание, %					Механические свой- ства при температуре 4-20° С			
Типы электродов		Nb	s	P		S 2			
			He более			• о и t- О «		<о	- о
э-м	 э-мх	 э-хм	 Э-ХМФ	 Э-ХМФБ .... Э-Х2МФБ .... Э-Х5МФ ....	0,10—0,35 0,15—0,40 0,25—0,50 0,10—0,35	0,10—0,25 0,35—0,65	0,05 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04	0,05 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04		50 50 50 50 55 55 55	18 18 16 16 14 14 14		8 8 8 8 6 6 6
Примечание. Нормы механических свойств указаны после термообработки,
соответствующей паспорту иа электроды.
334
Таблица 7-27
Типичные механические свойства металла швов,
выполненных электродами для сварки теплоустойчивых сталей
Марка электрода	Тип электрода по ГОСТ 9467—60	Темпера- тура ис- пытаний, °C	ат- кгс/мм2	кгс/мм2	6. %	Ф. %	ЙН’ кгс-м/см2
ЦЛ-14	Э-МХ-Р	20	40,1	51,0	25,7	69,8	15,0
		550	26,9	36,5	22,6	66,0	4,8
ГЛ-14	Э-МХ-Ф	20	38	53	19	—.	9
ЦЛ-30-63	Э-ХМ-Ф	20	50	65	16	50	12
ЦЛ-20-63	Э-ХМФ-Ф	20	48	59	20	67	14,4
		540	36	48	17,4	66	9,3
ЦЛ-17-63	Э-Х5МФ-Ф	20	44	65	18	76	15
		450	38,6	46,8	16,8	63,8	25,4
рушению. Для сварки высокопрочных сталей используют элек-
троды аустенитного и ферритного классов. Электроды аустенит-
ного класса применяют для сварки сталей в закаленном состоянии
без подогрева и последующей термообработки. Эти электроды
позволяют свести к минимуму опасность образования трещин при
сварке. Электроды ферритного класса служат для сварки высоко-
прочных сталей с подогревом (табл. 7-28) и в сочетании с после-
дующей термообработкой обеспечивают высокую конструктивную
прочность сварных изделий (см. гл. 10).
Практически все современные электродные покрытия для
сварки высокопрочных сталей относятся к фтористо-кальциевому
типу, что диктуется весьма высокими требованиями к чистоте
металла шва по содержанию водорода и неметаллических включе-
ний. Покрытие наносят на стержни, изготовленные из легиро-
ванной или высоколегированной стали. Химический состав стерж-
ней определяется требованиями к составу и структуре металла
шва.
Учитывая особо опасное влияние водорода на склонность
металла шва и околошовной зоны к образованию холодных тре-
щин и хрупкому разрушению, электроды для сварки высокопроч-
ных сталей перед использованием необходимо подвергать про-
калке при температуре около 400° С в течение 1—2 ч.
Электроды для сварки высоколегированных сталей с особыми
свойствами. Высоколегированные стали широко применяют в про-
изводстве современного оборудования для химического и энерге-
тического машиностроения и других отраслей техники. Разно-
образие свойств высоколегированных сталей определяет области
их применения (табл. 7-29). Эти стали классифицируют в зависи-
мости от основного применения на коррозионностойкие (нержа-
веющие), жароупорные (окалиностойкие) и жаропрочные
(см. § 10-8).
335
Таблица 7-28
Характеристики некоторых электродов,
применяемых для сварки среднелегированных высокопрочных сталей
Марка электрода	Тип электро- да по ГОСТ 9467—60 или 10052—62	Марка проволоки для стержней	Механические свой- ства металла шва при температуре 4-20°			Свариваемые стали
			ав’ кгс/мм2	б. %	S *2	
ЭА-464/5А	ЭА-1М2	Св-10Х20Н15	>58	30	10	Средне- легированные высокопроч- ные стали
ЭА-395/9	ЭА-ЗМ6	Св-ЮХ16Н25М6	>62	30	12	То же
НИАТ-5	—	Св-10Х16Н25М6	2-60	30	>ю	ЗОХГСА, ЗОХГСНА и др.
ЦЛ-18-63	Э85-Ф	Св-18ХГСА	92	13	8,5	20ХГСА, 25ХГСА, ЗОХГСА
ВИ-10-6	Э100-Ф	Св-18ХМА	2:- ЮО	>10	>5	Низколегиро- ванные кон- струкционные стали
В связи с большой склонностью металла швов и сварных соеди-
нений к образованию кристаллизационных и холодных трещин
электроды для сварки высоколегированных сталей имеют фто-
ристо-кальциевое покрытие. Они обеспечивают легирование на-
плавленного металла хромом или хромом с никелем. С целью рас-
кисления сварочной ванны, а также для снижения окисления
хрома в покрытие вводят активные раскислители — ферросили-
ций, ферротитан или алюминий. Кроме того, для дополнитель-
ного легирования металла шва в состав покрытия вводят различ-
ные ферросплавы или металлические порошки, например хром,
марганец, алюминий, молибден. Чтобы воспрепятствовать окисле-
нию примесей из электродного стержня, в состав покрытия вводят
небольшое количество легкоокисляющихся примесей, например
алюминия или титана.
Сварку электродами этой группы ведут постоянным током
обратной полярности. Использование постоянного тока опреде-
ляется наличием в составе покрытия большого количества фто-
ристого кальция, препятствующего стабильному горению дуги
на переменном токе. В состав покрытия иногда вводят небольшое
количество двуокиси титана, которая способствует измельчению
капель электродного металла. Это особенно важно для электро-
дов, предназначенных для сварки в вертикальном и потолочном
положениях.
336
22 Заказ № 782
Таблица 7-29
Назначение некоторых электродов для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами (по ГОСТ 10052—62)
Тип электрода	Марки электродов- представителей	Рекомендуемая марка электродно- го стержня по ГОСТ 2246—70	Тип металла шва	Примерное назначение электрода
ЭА-1	ОЗЛ-14	Св-02Х19Н9	1Х20Н9	Для сварки сталей 0Х18Н10, Х18Н9, Х18Н9Т и им подобных, работающих при температу- рах до 350° С
ЭА-1а	ОЗЛ-8	Св-04Х19Н9	09Х19Н10Б	Для сварки сталей 0Х18Н10, Х18Н9, Х18Н9Т и им подобных, работающих при температу- рах от —253° до 800° С при отсутствии жидкой агрессивной среды
ЭА-1 Б	ЦЛ-11, ОЗЛ-7, ЦТ-15-1	Св-08Х19Н10Б	1Х21Н9Б	Для сварки коррозионностойких сталей Х18Н9Т, 0Х18Н12Т, Х14Г14НЗТ, 1Х21Н5Т и им по- добных с содержанием до 16% Ni, работаю- щих в агрессивных средах при температурах до 450° С
ЭА-1 Ба	ЗИО-З, ЦТ-15	Св-08Х19Н10Б	1Х19Н10Б	Для сварки жаропрочных и коррозионностой- ких сталей типа 18-8 и им подобных с содер- жанием до 16% Ni, работающих в агрессив- ных средах при температурах до 800° С
.ЭА-1В2Б	ЦТ-16-1	Св-08Х19Н10Б	09Х19Н9В2Б	Для сварки жаропрочных сталей 1Х16Н14В2БР и им подобных с содержанием до 16% Ni для работы при температурах до 700° С
Тип электрода	Марки электродов - представителей	Рекомендуемая марка электродно- го стержня по ГОСТ 2246—70
ЭА-1Г6	ЗИФ-1	Св-08Х20Н10Г6
ЭА-2Б	ЗИО-7	Св-07Х25Н13
ЭА-ЗМ6	ЭА-395/9, НИАТ-5	Св-10Х16Н25М6
ЭАФ-1	ЦЛ-33	Св-04Х19Н9
ЭФ-ХИВМНФ	КТИ-10-62	Св-ЮХНМФН
Продолжение табл. 7-29
Тип металла шва	Примерное назначение электрода
Х19Н10Г6	Для сварки конструкционных низколегирован- ных специальных сталей, а также для сварки этих сталей с аустенитными. Для сварки ста- лей типа 18-8, работающих при температурах до —253° С
1Х23Н13Б	Для сварки двухслойного металла со стороны высоколегированного слоя из сталей Х18Н9Т, 0X13
1Х16Н26М6	Для сварки низкоуглеродистых и низколегиро- ванных конструкционных сталей с аустенит- ными, работающими при повышенных темпе- ратурах, а также для сварки жаропрочных сталей ряда марок, содержащих до 25—35% N1, для работы при температурах до 700° С
1Х22Н8	Для сварки аустенитно-ферритных сталей, а также сталей типа 1Х18НЗГЗД2 и им подоб- ных, работающих в условиях эрозионного и кавитационного износа при температуре до 80° С
1Х10НМВ	Для сварки жаропрочной стали 1Х12ВНМФ и ей подобных, предназначенных для работы при температуре до 580° С
§ 7-4. Сварочные флюсы
Флюсы применяют при многих способах сварки и на-
плавки плавлением при электродуговой сварке под флюсом,
сварке по флюсу, сварке с магнитным флюсом и при электрошла-
ковой сварке. В процессе сварки флюс защищает зону сварки
от доступа воздуха и выполняет ряд других важных функций.
Флюсы можно классифицировать по следующим основным призна-
кам: назначению, способу изготовления, химическому составу,
строению и размеру частиц.
Современные флюсы в зависимости от их назначения и пре-
имущественного применения разделяются на флюсы, предназна-
ченные для дуговой и электрошлаковой сварки и для наплавки;
флюсы, предназначенные для механизированной сварки и на-
плавки углеродистых сталей, легированных сталей и цветных
металлов и сплавов. Такое разделение в известной степени услов-
ное, поскольку флюсы, преимущественно применяемые для сварки
и наплавки одной группы металлов или сплавов, могут быть с успе-
хом использованы для сварки и наплавки металлов другой группы.
Вместе с тем флюсы, предназначенные для сварки одних цветных
металлов или легированных сталей одних марок, могут оказаться
непригодными для сварки других цветных металлов или леги-
рованных сталей других марок.
Различают флюсы общего назначения и специальные. Флюсы
общего назначения предназначены для механизированной дуговой
сварки и наплавки углеродистых и низколегированных сталей угле-
родистой и низколегированной сварочной проволокой. Флюсы спе-
циальные предназначены для отдельных способов и целей сварки:
электрошлаковой сварки, сварки легированных сталей и т. п.
По способу изготовления флюсы разделяют на плавленые
и неплавленые. Плавленые флюсы получают сплавлением компо-
нентов шихты в электрических или пламенных печах. Неплавле-
ные флюсы изготовляют скреплением частиц флюсовой шихты
без их сплавления. К числу неплавленых флюсов относятся кера-
мические флюсы, спеченные флюсы, флюсы-смеси.
Керамические флюсы изготовляют из смесей порошкообраз-
ных материалов, скрепляемых при помощи клеющих веществ,
главным образом жидким стеклом. Спеченные флюсы изготовляют
спеканием компонентов шихты при повышенных температурах
без их сплавления. Полученные комки затем измельчают до ча-
стиц требуемого размера. Флюсы-смеси изготовляют механиче-
ским смешением крупинок различных материалов или флюсов.
Большим недостатком механических смесей является склонность
к разделению при транспортировке и в процессе сварки вслед-
ствие разницы в плотности, форме и размере крупинок. Поэтому
механические смеси не имеют постоянных составов и технологи-
ческих свойств и недостаточно надежно обеспечивают стабильное
качество сварных швов.
22*	339
По химическому составу сварочные флюсы могут быть разде-
лены на три группы: оксидные, солевые и солеоксидные. Оксид-
ные флюсы состоят из окислов металлов и могут содержать до 10%
фтористых соединений. Их преимущественно применяют для
сварки углеродистых и низколегированных сталей. Флюсы соле-
вого типа состоят из фтористых и хлористых солей металлов,
а также из других не содержащих кислород химических соедине-
ний. Их используют для сварки активных металлов, таких как
алюминий, титан и др., а также для электрошлакового переплава.
Флюсы солеоксидного типа состоят из фторидов и окислов метал-
лов. Их преимущественно применяют при сварке и наплавке вы-
соколегированных сталей.
По химическому составу шлакообразующей части оксидные
флюсы могут быть разделены на кислые, нейтральные и основ-
ные. Это определяется содержанием в их составе кислых и основ-
ных окислов. К кислым (кислотообразующим) окислам относят
SiO2 и Т1О2, к основным —CaO, MgO, МпО, FeO. Окись алюми-
ния А12О3 и окись железа Fe2O3 имеют амфотерный характер.
Если в составе флюса много кислого окисла SiO2, А12О3 ведет себя
как основной окисел, если же флюс содержит много основных
окислов, А12О3 ведет себя как кислый окисел. Фториды и хло-
риды относятся к химически нейтральным соединениям.
Плавленые флюсы в зависимости от содержания в них SiO2
разделяют на высококремнистые, низкокремнистые и бескремни-
стые. К высококремнистым относятся флюсы, содержащие свыше
37—40% SiO2 При меньшем содержании SiO2 флюсы относятся
к низкокремнистым. В бескремнистых флюсах SiO2 содержится
только в качестве примеси (не более 4%). Флюсы, предназначен-
ные для сварки низкоуглеродистой и низколегированной стали
низкоуглеродистой проволокой, как правило, высококремнистые.
Низкокремнистые флюсы обычно применяют для сварки легиро-
ванных сталей.
По содержанию МпО плавленые флюсы разделяют на безмар-
ганцевые и марганцевые. К первым относятся флюсы, содержащие
не более 1 % МпО. При более высоком содержании МпО флюс отно-
сится к марганцевым.
По строению частиц плавленые флюсы разделяют на стекло-
видные, пемзовидные (рис. 7-29) и кристаллические. Стекловид-
ный флюс представляет собой прозрачные зерна. Они бесцветные
или же окрашены в зависимости от состава в различные цвета —
от светло-синего до черного. Пемзовидный флюс представляет
собой зерна пенистого материала белого или светлых оттенков
желтого, зеленого и других цветов. Кристаллический флюс
характеризуется кристаллическим строением зерен, окрашенных
в те же цвета, что и пемзовидный флюс. Объемная масса пемзо-
видных флюсов 0,6—1 г/см3, стекловидных и кристаллических
1,4—1,8 г/см3, промежуточную объемную массу имеют флюсы
полупемзовидного строения.
340
Рис. 7-29. Строение зерен флюса
б — пемзовидного
а — стекловидного,
Согласно рекомендации СЭВ по стандартизации сварочных
плавленых флюсов РС2205—69, флюс подразделен по величине
зерен (табл. 7-30).
Определяющими при выборе флюса являются состав основного
металла и принятый способ сварки.
Флюсы для дуговой сварки углеродистых конструкционных
сталей. Для сварки углеродистых сталей следует применять
флюсы, удовлетворяющие основным требованиям- обеспечение
устойчивости процесса сварки; отсутствие кристаллизационных
трещин и пор в шве; обеспечение требуемых механических свойств
металла шва и сварного соединения в целом; хорошее формиро-
вание шва; легкая отделимость шлаковой корки; минимальное
выделение вредных газов при сварке; низкая стоимость флюса
и возможность промышленного изготовления.
Устойчивость процесса дуговой сварки в первую очередь
зависит от устойчивости (стабильности) горения дуги. Под по-
следней обычно понимают постоянство во времени основных элект-
рических характеристик дуги,
а именно: постоянство значе-
ний напряжения дуги и силы
тока.
Сварочная дуга является
одним из видов электрического
разряда в газах, а поэтому
устойчивость ее горения, при
прочих равных условиях, опре-
деляется составом атмосферы
дуги. При нагреве теплотой
дуги флюс выделяет газы и
пары, изменяя этим состав атмо-
сферы дуги. Наличие в составе
флюса соединений щелочных
и щелочноземельных металлов
Таблица 7-30
Зернистость флюсов согласно
рекомендации СЭВ
Флюс	Обозна- чение зернис- тости	Величина зерна, мм
Тонко- зернистый	/	Пыль — 0,8
Мелко- зернистый	k	0,1—1,6
Средне- зернистый	tn	0,25—3,0
Крупно- зернистый	g	0,35—5,0
341
повышает устойчивость Процесса сварки, тогДа как фторйсТЫё
соединения уменьшают ее.
Стойкость швов против образования кристаллизационных тре-
щин зависит от химического состава металла шва. Изменяя содер-
жание в металле шва углерода, серы и марганца, флюс оказывает
влияние на стойкость швов против кристаллизационных трещин.
При сварке флюс расплавляется, превращаясь в шлак, и вза-
имодействует с жидким металлом. Длительность их взаимодей-
ствия очень невелика и в зависимости от режима сварки может
составлять от 10—15 с до 1 мин. Затем, когда металл и шлак
затвердеют, их взаимодействие прекращается. Несмотря на кратко-
временность, взаимодействие жидких металла и шлака происхо-
дит довольно энергично. Это обусловлено высокими температу-
рами, до которых нагреваются металл и шлак, большими поверх-
ностями их контактирования и сравнительно большим относитель-
ным количеством шлака, составляющим в среднем 30—40% массы
металла.
Реакции, протекающие между жидкими металлом и шлаком
в процессе их взаимодействия, являются реакциями вытеснения
одного элемента из шлака в металл другим или же реакциями
распределения элемента между металлом и шлаком.
Так, при сварке углеродистой стали под плавленым высоко-
кремнистым марганцевым флюсом (например, АН-348-А) марга-
нец и кремний частично вытесняются железом из шлака и пере-
ходят в металл сварочной ванны [см. реакции (7-2) и (7-3))].
Стрелки указывают, что реакции могут идти в обоих направле-
ниях: слева направо в зоне высоких температур вблизи дуги
(восстановление марганца и кремния) и справа налево в затверде-
вающей части сварочной ванны (окисление марганца и кремния).
Направление реакций зависит также от концентрации реагиру-
ющих веществ. При большом содержании марганца или кремния
в металле сварочной ванны, отсутствии МпО и SiO2 или большом
содержании FeO в шлаке окисление марганца и кремния может
происходить и в зоне высоких температур сварочной ванны.
Величина перехода кремния пропорциональна содержанию
SiO2 во флюсе (рис. 7-30). При одинаковом содержании SiO2
величины перехода кремния могут быть разными: чем больше FeO
и СаО во флюсе, тем переход меньше. В том же направлении дей-
ствует повышение содержания кремния в сварочной проволоке
и основном металле. Переход крем-
ния из флюса в металл сварочной
ванны предупреждает возникно-
вение пористости швов от выде-
ления СО на кипящей и полу-
Рис. 7-30. Переход кремния из флюса
в металл шва в зависимости
от содержания во флюсе SiO2
342
Рис. 7-31. Переход серы из высококрем-
нистого марганцевого флюса
в металл шва в зависимости
от содержания во флюсе МпО
спокойной углеродистой стали и
уменьшает опасность появления
пористости швов на успокоенной
углеродистой стали.
Переход марганца из флюса
в металл сварочной ванны тем
выше, чем больше содержание
окислов марганца во флюсе. Увеличение содержания марганца
в металле за счет прохождения реакции (2—9) повышает стойкость
сварных швов на углеродистой стали против образования кри-
сталлизационных трещин. При сварке под высококремнистым без-
марганцевым флюсом происходит окисление содержащегося в ме-
талле марганца вследствие прохождения реакции (7-1). Для обе-
спечения необходимого содержания марганца в металле шва при
сварке под этими флюсами применяют низкоуглеродистую мар-
ганцовистую проволоку, содержащую 1,5—3,0% Мп.
От состава шлака зависит реакция распределения серы между
шлаком и металлом:
Q - >
ишл ч— ° мет
Сера оказывает резко отрицательное влияние на стойкость
металла шва против образования кристаллизационных трещин,
поэтому следует снижать ее содержание в металле шва. При
флюсах с высоким содержанием SiO2, TiO2 и А12О3 — так назы-
ваемых кислых окислов сера переходит из флюса в металл. Чем
больше окислов марганца в высококремнистом марганцевом флюсе
и меньше FeO, тем меньше переход серы в металл. На рис. 7-31
показано влияние содержания МпО в плавленом высококремни-
стом марганцевом флюсе на величину перехода серы в металл
шва. При содержании 25% МпО и более сера почти не переходит
из флюса в металл шва. Данные на рис. 7-31 относятся к флюсам,
содержащим около 0,1% S и 40—45% SiO2.
Повышение содержания марганца в металле сварочной ванны
и введение в нее алюминия и титана препятствует переходу серы
из шлака в металл. При сварке под основными флюсами сера
переходит из металла в шлак.
Реакция окисления углерода проходит в металле сварочной
ванны без участия флюса. Однако интенсивность прохождения ее
зависит от состава флюса — основного источника поступления
кислорода в металл. Углерод окисляется более интенсивно при
сварке под флюсами, содержащими значительные количества FeO,
МпО и SiO2. Окисление углерода ведет к уменьшению его кон-
центрации в металле шва, что повышает стойкость шва против
образования кристаллизационных трещин.
343
Другой опасный дефект швов, сваренных под флюсом, — по-
ристость. При сварке под флюсом основными причинами возникно-
вения пор в швах могут быть загрязнение основного металла и сва-
рочной проволоки ржавчиной, маслом и т. п., влажный флюс
и др. Роль флюса в предупреждении появления пор заключается
в защите металла сварочной ванны от доступа воздуха; выделении
в атмосферу дуги газов и паров, снижающих концентрацию в ней
водорода путем разбавления; выделении в атмосферу дуги газо-
образных соединений фтора, образующего с водородом нераство-
римый в жидкой стали фтористый водород; окислении металла
сварочной ванны.
Для уменьшения пористости швов в состав флюса вводят фто-
ристый кальций или фтористый натрий, флюс тщательно прока-
ливают перед сваркой и т. д. Так как наиболее эффективно свя-
зывает водород в виде HF газообразный фтористый кремний,
то чем больше в составе флюса CaF2 и SiO2 и меньше CaO, Na2O
и К2О, тем больше в атмосфере дуги находится водорода в виде Н F.
Для получения плотных швов на кипящей и полуспокойной
стали важное значение имеет кремниевосстановительный процесс
и поступление кремния в металл сварочной ванны из других источ-
ников.
Требуемые механические свойства металла шва и сварного
соединения в целом обеспечиваются путем получения швов нуж-
ного химического состава и без дефектов. Для механических
свойств металла шва существенное значение имеет реакция вос-
становления фосфора
Р2О5(шл) -ф 5Реметщ± 5РеОшл -ф 2Рмет.	(7-8)
При сварке под флюсами, содержащими значительные количе-
ства кислых окислов, эта реакция во всех частях сварочной ванны
идет в правую сторону, т. е. фосфор восстанавливается из флюса
в металл. Так как фосфор является вредной примесью, для умень-
шения прохождения этой реакции необходимо максимально сни-
жать содержание фосфора во флюсе. Окисление фосфора и пере-
ход его из металла в шлак может иметь место только при сварке
под основными окислительными флюсами и то лишь в небольшой
степени.
Реакции взаимодействия шлака и металла зависят от соот-
ношения между количествами реагирующих флюса и металла.
Чем больше соотношение между флюсом и металлом, тем сильнее
взаимодействие. Изменяя режим сварки, можно изменять соотно-
шение между расплавляемыми флюсом и металлом, влияя этим
на интенсивность их взаимодействия.
В шихту для изготовления высококремнистых марганцевых
флюсов обязательно входит марганцевая руда, которая вместе
с тем является главным источником загрязнения флюса фосфором.
В связи с этим во флюсах данного типа содержание фосфора мо-
жет быть чрезмерно высоким (до 0,2%). При сварке углеродистой
344
Рис. 7-32. Переход фосфора из высокб-
кремнистого марганцевого
флюса в металл шва в зави-
симости от содержания фос-
фора во флюсе
или низколегированной стали под
высококремнистым марганцевым
флюсом фосфор в результате про-
хождения реакции (7-8) интенсив-
но переходит из флюса в металл
шва.
На рис. 7-32 показан график влияния содержания фосфора во
флюсе на величину перехода фосфора из плавленого высококрем-
нистого марганцевого флюса в металл шва. Различие величин
перехода фосфора при одном и том же содержании его во флюсе
обусловлено влиянием исходного содержания фосфора в свароч-
ной проволоке и основном металле и влиянием степени окислен-
ности флюса и его состава. Чем больше содержится фосфора в сва-
рочной проволоке и основном металле, тем меньше его перейдет
из флюса в металл шва, потому что будет задерживаться прохо-
ждение реакции (7-8). В том же направлении действует повыше-
ние степени окисленности флюса и увеличение содержания
в нем FeO.
Формирование шва прежде всего зависит от режима сварки,
т. е. от длины дуги, ее подвижности и т. п. В одинаковых усло-
виях длина дуги и ее подвижность зависят от размеров зерен
флюса. При сварке под крупным флюсом дуга более подвижна
и ширина шва больше, чем при сварке под мелким флюсом. Соот-
ветственно этому глубина провара больше при сварке под мелким
флюсом, чем под крупным.
Внешний вид шва в значительной мере зависит от равномер-
ности отложения металла, зависящей от состояния сварочной
ванны. «Кипение» сварочной ванны вследствие выгорания угле-
рода и выделения растворенных в металле газов может значи-
тельно ухудшить внешний вид шва. Повышение окисленности
флюса, способствующее интенсивному окислению углерода, также
ухудшает внешний вид шва. Введение в сварочную ванну вместе
с флюсом раскислителей успокаивает ее и способствует образо-
ванию швов с более мелкими чешуйками на поверхности.
Если при температуре затвердевания металла вязкость флюса
очень высокая, то шов имеет форму затвердевшей шлаковой
корки. Чрезмерно жидкоплавкий флюс также ухудшает формиро-
вание швов. В данном случае образуется много шлака, затрудня-
ющего процесс сварки. Хорошее качество формирования швов
обеспечивается при средних величинах вязкости флюса.
Хорошо сформированные кольцевые швы при сварке изделия
малого диаметра образуются в том случае, если отсутствует
стекание расплавленного шлака. Жидкий шлак, стекая в процессе
345
Рис. 7-33. Изменение вязкости флюса в зависимо»
сти от температуры:
1 — короткий флюс, 2 — длинный флюс
сварки, тянет за собой жидкий металл и
в результате образуются плохо сформиро-
ванные бугристые швы с натеками ме-
талла, подрезами и т. п. Характер фор-
мирования швов зависит от свойств при-
меняемого флюса. На рис. 7-33 показано
изменение вязкости в зависимости от тем-
пературы для двух жидких флюсов. Для «короткого» флюса
нисходящая ветвь кривой вязкости круто падает вниз, что
указывает на быстрое уменьшение вязкости флюса с повыше-
нием температуры. Для «длинного» флюса изменение вязкости
происходит значительно медленнее.
Для сварки кольцевых швов малого диаметра, а также для
наплавки небольших деталей цилиндрической формы значительно
больше подходят «короткие» флюсы, потому что при них шлак
твердеет быстро и надежно удерживает сварочную ванну от расте-
кания. В связи с этим для сварки кольцевых швов, особенно коль-
цевых швов малого диаметра, желательно применять специальные
флюсы, например ФЦ-1.
Плавленые флюсы для сварки углеродистых сталей. Получения
качественных швов на углеродистых и низколегированных кон-
струкционных сталях в настоящее время практически достигают
применением следующих сочетаний флюсов и сварочных про-
волок: 1) плавленый высококремнистый марганцевый флюс и
обычная низкоуглеродистая сварочная проволока; 2) плавленый
высококремнистый безмарганцевый флюс и низкоуглеродистая
марганцовистая сварочная проволока; 3) керамический флюс
и обычная низкоуглеродистая сварочная проволока.
Общим для первых двух сочетаний является применение высо-
кокремнистых флюсов и проволоки из кипящей или полуспокой-
ной стали. Успокоить металл сварочной ванны и предупредить
появление пористости при сварке кипящей стали можно путем
введения некоторого количества кремния из флюса. Легируют
металл шва марганцем с целью повышения стойкости против обра-
зования кристаллизационных трещин или через флюс (первое
сочетание), или через проволоку (второе сочетание).
Сравнение этих сочетаний флюса и проволоки показывает,
что сварочные свойства высококремнистых марганцевых флюсов
несколько лучше, чем высококремнистых безмарганцевых. Поло-
жительным свойством высококремнистых марганцевых флюсов
является высокая стойкость сварных швов против образования
кристаллизационных трещин. Это обусловлено малым переходом
серы из флюсов данного типа в металл шва и сравнительно силь-
ным выгоранием углерода из металла сварочной ванны. Кроме
346
того, положительно влияет более низкое по сравнению с содер-
жанием в марганцовистой проволоке содержание углерода в низ-
коуглеродистой сварочной проволоке, используемой в сочетании
с высококремнистыми марганцевыми флюсами.
При сварке под высококремнистыми марганцевыми флюсами
пористость сварных швов меньше, чем при сварке под высококрем-
нистыми безмарганцевыми флюсами.
Преимуществом высококремнистых безмарганцевых флюсов
является лучшая отделимость шлака с поверхности шва в связи
с меньшим окислительным действием флюса на затвердевающий
металл шва, вследствие чего образование окисной пленки на
поверхности шва происходит медленнее и затрудняется сцепле-
ние шлака с этой поверхностью. В швах, сваренных под высоко-
кремнистыми безмарганцевыми флюсами, содержится меньше
фосфора, потому что в шихте для их выплавки нет марганцевой
РУДЫ.
По выделению вредных газов оба рассматриваемых сочетания
равноценны. Первое сочетание хуже в отношении выделения
в атмосферу соединений марганца.
На начальном этапе развития автоматической сварки в СССР
использовали -почти исключительно первое сочетание флюса
и проволоки. Кроме технологических преимуществ первого соче-
тания это было вызвано также некоторыми трудностями изгото-
вления сварочной проволоки с высоким содержанием марганца
и низким — углерода, в то время как обычная низкоуглеродистая
сварочная проволока не была дефицитной. Кроме того, выплавка
высококремнистого марганцевого флюса не представляла затруд-
нений в связи с наличием в нашей стране больших залежей высо-
кокачественной марганцевой руды.
К высококремнистым марганцевым флюсам относятся АН-348-А,
АН-348-АМ, ОСЦ-45, ОСЦ-45М, АН-60, ФЦ-9 и др., предназ-
наченные для механизированной сварки и наплавки углеро-
дистых и низколегированных сталей низкоуглеродистой и низ-
колегированной сварочной проволокой. Из них наиболее широко
применяются флюсы АН-348-А, АН-60 и ОСЦ-45. С согласия по-
требителей допускается поставка флюса марки АН-348-АМ с со-
держанием фтористого кальция до 5,5% для автоматической сварки
проволокой диаметром не более 3 мм. Это связано как с тенденцией
значительного расширения применения при автоматической сварке
под флюсом тонкой сварочной проволоки, так и тем, что при авто-
матической сварке опасность выделения вредных фтористых газов
меньше, чем при полуавтоматической.
Как видно из табл. 7-31, флюсы АН-348-А и АН-348-AM отли-
чаются от флюсов ОСЦ-45 и ОСЦ-45М содержанием CaF2. Боль-
шое содержание CaF2 в высококремнистом марганцевом флюсе
повышает стойкость металла шва против образования пор
(рис. 7-34). Чем выше содержание CaF2, тем больше ржавчины
может находиться в зоне сварки без опасности появления
347
Таблица 7-31
Состав сварочных плавленых флюсов, % по массе
Марка	S1O,	МпО	СаО	MgO	A12O3	NagO	CaF2	Fe2O3	S	р	с
флюса						и КгО		не более			
АН-348 А	41,0—44,0	34,0—38,0	<6,5	5,0—7,5	<4,5	—	4,0—5,5	2,0	0,15	0,12	—
ОСЦ-45	38,0—44,0	38,0—44,0	<6,5	<2,5	<5,0	—	6,0—9,0	2,0	0,15	0,15	—
АН-348-АМ	41,0—44,0	34,0—38,0	<6,5	5,0—7,5	<4,5	—	3,5—4,5	2,0	0,15	0,12	
ОСЦ-45М	38,0—44,0	38,0—44,0	<6,5	<2,5	<5,0	—	6,0—9,0	2,0	0,15	0,10	__
АН-60	42,5—46,5	36,0—41,0	3,0—11,0	0,5—3,0	<5,0	—	5,0—8,0	1,5	0,15	0,15	—
ФЦ-9	38,0—41,0	38,0—41,0	<6,5	<2,5	10,0—13,0	—	2,0—3,0	2,0	0,10	0,10	—
АН-8	33,0—36,0	21,0—26,0	4,0—7,0	5,0—7,5	11,0—15,0	—	13,0—19,0	1,5—3,5	0,15	0,15	—
АН-20С, АН-20СМ, АН-20П	19,0—24,0	<0,5	3,0—9,0	9,0—13,0	27,0—32,0	2,0—3,0	25,0—33,0	1,0	0,08	0,05	—
АН-22	18,0—21,5	7,0—9,0	12,0—15,0	11,5—15,0	19,0—23,0	1,0—2,0	20,0—24,0	1,0	0,05	0,05	—
АН-26С, АН-26СП, АН-26П	29,0—33,0	2,5—4,0	4,0—8,0	15,0—18,0	19,0—23,0	—	20,0—24,0	1,5	0,10	0,10	0,05
Примечание Индексы в ианмеиованни марки флюса имеют следующие значения: С — стекловидный, П — пемзовидный;
М — мелкий
Рис. 7-34. Влияние содержания CaF8
в высококремнистом марганце-
вом флюсе на стойкость швов
против образования пор
пористости швов. Более высо-
кое содержание CaF2 во флю-
сах ОСЦ-45 и ОСЦ-45М, в сравне-
нии с флюсами АН-348-А и
АН-348-АМ, вызывает более ин-
тенсивное выделение в атмосферу	„
дуги фтористых соединений, пре- 0	12 2	<,6 саРг, /,
дупреждающих образование пор от водорода. Вместе стемухудша
ются устойчивость горения дуги и гигиенические условия труда.
За длительное время практического применения флюсов упо-
мянутых марок определилась номенклатура производств и изде-
лий, где при сварке преимущественно применяют ту или иную
марку флюса. В машиностроении, вагоностроении и ряде других
отраслей промышленности в основном применяют флюсы АН-348-А
и АН-348-АМ, в судостроении же обычно используют флюсы
ОСЦ-45 и ОСЦ-45М.
Согласно ГОСТ 9087—69 «Флюсы сварочные плавленые»,
приведенные в табл. 7-31, флюсы следует поставлять в виде одно-
родных по строению зерен без включений инородных частиц,
в том числе нерастворившихся частиц сырьевых материалов, угля,
кокса, стружки и т. п. Как исключение допускается содержание
частиц инородных материалов в навеске 10 г не более 10 шт.
Допускается также наличие во флюсах АН-348-А и АН-348-АМ
не более 10% белых и желтых непрозрачных зерен, во флю-
сах ОСЦ-45 и ОСЦ-45М не более 5% зерен черного цвета. Строе-
ние и цвет зерен флюсов, согласно ГОСТ 9087—69, должны соот-
ветствовать указанным в табл. 7-32. При этом все промежуточные
оттенки также допустимы.
Размеры зерен флюса должны соответствовать указанным
в табл. 7-33. Стекловидный флюс с размером зерен не более 2,5
или 3 мм и пемзовидный флюс с размером зерен не более 4 мм
предназначены для автоматической сварки проволокой диаметром
не менее 3 мм. Стекловидный флюс с размером зерен не более
1,6 мм предназначен для автоматической и полуавтоматической
сварки проволокой диаметром не более 3 мм.
Флюсы поставляют партиями, состоящими из флюса одной
марки. Масса партии не должна превышать 60 т. Флюс упаковы-
вают в бумажные мешки или другую тару, обеспечивающую его
сохранность при транспортировке. Для перевозки малыми пар-
тиями в сборных вагонах или автотранспортом флюс должен быть
упакован в деревянную или металлическую тару. По соглашению
с потребителем допускается отгрузка флюса в крытых вагонах
насыпью. Влажность отправляемого потребителям флюса не
должна превышать 0,10% (для флюса АН-60 не более 0,05%).
349
Таблица 7-32
Строение и цвет сварочных плавленых флюсов
Марка флюса	Строение зерен	Цвет зерен
АН-348-А, АН-348-АМ ОСЦ-45, ОСЦ-45М ФЦ-9	Стекловидное	Желтый и коричневый всех оттенков Светло-серый, желтый и коричне- вый всех оттенков Светло-желтый всех оттенков и коричневый всех оттенков
АН-60 АН-20П АН-26П	Пемзовидное	Белый, желтый всех оттенков и светло-коричневый Белый и светло-серый Светло-серый
АН-8 АН-20С, АН-20СМ АН-22 АН-26С	Стекловидное	Желтый и коричневый всех оттенков Светло-серый и светло-голубой Желтый всех оттенков и светло- коричневый Серый всех оттенков и светло-зе- леный
АН-26СП	Смесь стекловид- ных и пемзо- видных зерен	Серый всех оттенков и светло-зе- леный
Объемная масса сварочных плавленых флюсов согласно ГОСТ
9087—69 должна соответствовать указанной в табл. 7-34. Малая
объемная масса пемзовидного флюса обеспечивает высокую по-
движность сварочной дуги, потому что на его плавление затрачи-
вается меньше тепловой энергии дуги, чем на плавление такого же
объема стекловидного флюса. Вследствие высокой подвижности
дуги при сварке под пемзовидным флюсом при том же режиме
формируются более широкие швы с меньшей высотой утолщения,
чем при сварке под стекловидным флюсом. При такой форме шва
Таблица 7-33
Размер зерен сварочных плавленых флюсов
Марка флюса	Размеры зерен, мм	Марка флюса	Размеры зерен, мм
АН-348-А, ОСЦ-45, АН-20С, АН-26П АН-348-АМ, ОСЦ-45М, ФЦ-9, АН-20СМ	0,35—3,00 0,25—1,60	АН-8, АН-22, АН-26С АН-60, АН-20П АН-26СП	0,25—2,50 0,35—4,00 0,25—4,00
350
Таблица 7-34
Объемная масса сварочных плавленых флюсов
Марка флюса	Объемная масса, кг/дм3	Марка флюса	Объемная масса, кг/дм3
АН-8, АН-22 АН-348-А, АН-348-АМ, ОСЦ-45, ОСЦ-45М, АН-26С, ФЦ-9	1,5—1,8 1,3—1,8	АН-20С, АН-20СМ АН-60, АН-20П, АН-26П АН-26СП	1,2—1,7 0,7—1,0 0,9—1,3
меньше опасность несплавления шва с основным металлом, что
особенно важно при сварке на большой скорости.
Пористость сварных швов тем меньше, чем больше фтористого
кремния находится в атмосфере дуги. Фтористый кремний обра-
зуется при сварке вследствие взаимодействия кремнезема с фто-
ристым кальцием. Фтористый кремний — это газ со специфиче-
ским резким запахом. Он образуется на поверхности частиц
флюса, содержащих в своем составе кремнезем и фтористый каль-
ций и нагретых до температуры выше 600° С. Количество выделен-
ного фтористого кремния тем больше, чем выше температура на-
грева частиц флюса, больше их поверхности и выше содержа-
ние SiO2 и CaF2.
Так как пемзовидный флюс имеет значительно большую по-
верхность зерен, чем стекловидный, то при одинаковом химиче-
ском составе во время сварки под пемзовидным флюсом выделяется
значительно больше фтористого кремния, чем под стекловидным.
Соответственно этому пористость швов, сваренных под пемзовид-
ным флюсом, меньше чем швов, сваренных под стекловидным флю-
сом. Испытание на стойкость швов против образования пор от
ржавчины проводили при скорости сварки 30 м/ч. На рис. 7-35
видно, что флюс АН-60, объемная масса которого составляет
0,8—1,0 г/см3, допускает без опасности образования пор в 2—
2,5 раза больше ржавчины, чем стекловидный флюс такого же
химического состава с объемной массой 1,6 г/см3.
Из флюсов пемзовидного строения наиболее широко приме-
няют АН-60 и в основном при изготовлении стальных труб боль-
шого диаметра для газопроводов. Он
предназначен для сварки с большой
скоростью. Его высокие технологи-
ческие свойства (хорошее формиро-
вание шва и большая стойкость шва
против образования пор) обусловлены
пемзовидным строением зерен. При-
Рис. 7-35. Зависимость пористости швов от
ржавчины и объемной массы плав-
леного флюса
351
дание флюсу стекловидного или пемзовидного строения дости-
гается соответствующим способом ведения плавки и грануляции
флюса.
Для полуавтоматической сварки углеродистых и низколеги-
рованных сталей используют флюс ФЦ-9, разработанный
в ЦНИИТМАШе. Флюс обладает хорошими технологическими
свойствами и выделяет мало фтористых газов, что связано с низ-
ким содержанием в его составе CaF2. Эта особенность очень важна
при полуавтоматической сварке, когда сварщик находится ближе
к дуге, чем при автоматической. Поэтому к флюсам, предназна-
ченным для полуавтоматической сварки, предъявляют более
жесткие требования в отношении выделения вредных газов, чем
к флюсам для автоматической сварки.
Наиболее простой и надежный способ значительного уменьше-
ния выделения вредных газов при сварке под флюсом — это при-
менение флюсов, вовсе не содержащих фтористых соединений.
Однако ввиду отсутствия в составе флюса фтористых соединений
стойкость сварных швов против образования пор очень низкая.
Такие флюсы имеют хорошие стабилизирующие свойства и в про-
цессе сварки мало выделяют вредных газов, однако они обес-
печивают плотные швы только на чистом металле. В связи с низ-
кой стойкостью против образования пор применение бесфтористых
флюсов весьма ограниченное.
Высококремнистые безмарганцевые флюсы находили и нахо-
дят применение в зарубежных странах. Они предназначены для
сварки углеродистых и некоторых низколегированных сталей
сварочной проволокой с повышенным содержанием марганца.
В табл. 7-35 приведены составы высококремнистых безмарганце-
вых флюсов, применявшихся в США (UM20, UM30) и ФРГ (Blau).
Там же дан состав отечественного флюса АН-5, разработанного
в Институте электросварки имени Е. О. Патона.
Для сварки стали большой толщины на мощных режимах раз-
работаны флюсы ФЦ-4 и ФЦ-5 (табл. 7-35). Имея высокие стабили-
зирующие свойства, эти флюсы обеспечивают длинную дугу,
необходимую при однопроходной сварке металла большой тол-
щины. Тенденция применения флюсов с высокими стабилизи-
рующими свойствами в зарубежных капиталистических странах
обусловлена стремлением работать на возможно более мощных
режимах. Однако это целесообразно только в случае сварки тол-
стого металла. При сварке же стали малой и средней толщины
это сопряжено с необходимостью тщательной очистки поверхности
свариваемого металла от ржавчины и загрязнений вследствие
более низкой стойкости против образования пор флюсов с высо-
кими стабилизирующими свойствами.
Для повышения производительности сварки под флюсом сты-
ковых швов все шире применяется однопроходная сварка с обрат-
ным формированием валика на флюсовой или флюсомедной
подушке. Чтобы избежать образования в таких швах шлаковых
352
Таблица 7-35
Состав зарубежных и отечественных плавленых флюсов, % по массе
Марка флюса	S1O2	МпО	СаО	MgO	А12Оз	Na2O н К2О	Т1О2	CaFa	FezO3
UM20, Blau	50-53	<0,6	30—31	9—10	4—6					2—4,5	0,5
UM30	54	—	28	8	5			—	5	0,5
АН-5	50—52	—	26—30	10—14	—	<1,0	—	5—6	<1,0
ФЦ 1 *	45	14,5	18	12,5	<2,0	—	—	6,0	<1,0
ФЦ4 *	45	33,0	5,0	<2,0	3,5	5,5	3,0		<2,0
ФЦ-5 -1-	44	45,0	<3,5	<1,0	3,5	1,5	—	3,0	<1,5
ФЦ-7	46—48	24—26	<3,0	16—18	—	0,6—0,8	—	5—6	<1,5
* Вместо допусков по химическому составу флюса приведен расчетный состав
флюсовой шихты
каналов, необходимо, чтобы подкладочный флюс был достаточно
тугоплавким.
Керамические флюсы для сварки углеродистых сталей. Приори-
тет разработки керамических флюсов принадлежит Советскому
Союзу. Впервые керамические флюсы для дуговой сварки пред-
ложил К. К- Хренов.
Каждое зерно керамического флюса состоит из прочно соеди-
ненных мелких частичек и содержит все компоненты флюса в опре-
деленном соотношении. Зерна флюса имеют одинаковый химиче-
ский состав, плотность и строение. Благодаря этому исключена
возможность разделения составляющих частей керамического
флюса при его использовании. Отсутствие операции плавления
при изготовлении флюсов этого типа позволяет вводить в их
состав минералы, руды, ферросплавы, металлы, углеродистые
вещества и другие материалы независимо от их взаимной рас-
творимости, что значительно эффективнее влияет на состав и
структуру металла шва.
При сварке под плавлеными высококремнистыми марганце-
выми флюсами металл шва легируется только кремнием и марган-
цем. С помощью керамических флюсов металл шва можно леги-
ровать и другими элементами, причем в большом количестве.
Для сварки углеродистых конструкционных сталей в Совет-
ском Союзе нашли достаточно широкое применение лишь керами-
ческие флюсы на основе марганцевой руды и песка. Состав шихты
для изготовления флюсов этой группы подобен составу шихты
таких плавленых флюсов, как ОСЦ-45, АН-348-А и др. В качестве
примера рассмотрим флюсы К-П и КВС-19 (табл. 7-36).
Зерна флюсов К-Н и КВС-19 черного цвета. Эти флюсы обла-
дают хорошими технологическими свойствами. Они обеспечи-
вают нормальное формирование швов, легкую отделимость шла-
ковой корки с поверхности шва и достаточно высокую стойкость
швов против образования кристаллизационных трещин. Меха-
23 Заказ № 782	353
Таблица 7-36
Состав шихты керамических флюсов, % по массе
Материал	к И	КВС-19
Руда марганцевая		60	54
Песок кварцевый 		20	30
Шпат плавиковый		10	7
Ферросилиций (ФС75)		10	7
Ферротитан		—	2
Натриевое жидкое стекло (в процен-		
тах от массы сухой смеси) .	15	15—17
нические свойства сварных швов и соединений, выполненных под
флюсами К-И и КВС-19 на углеродистой стали, несколько усту-
пают таковым, сваренным под плавлеными флюсами АН-348-А
и ОСЦ-45, вследствие повышенного содержания в них фосфора.
Вместе с тем флюсы К-И и КВС-19 значительно превосходят плав-
леные флюсы АН-348-А и ОСЦ-45 по стойкости швов против обра-
зования пор. Им равноценен в этом отношении только плавленый
пемзовидный флюс АН-60.
Плавленые флюсы с примесью ферросплавов. К плавленым
флюсам ферросплавы можно примешивать механически в виде
измельченных частиц, вводить в жидкий флюс в процессе его
плавки или же примешивать к плавленому флюсу в составе кера-
мического флюса. При автоматической сварке в Советском Союзе
ранее широко применяли механические смеси шлакового
флюса АШ с измельченным ферромарганцем (АШМА) и с плави-
ковым шпатом (АШПАТ). При сварке под этими смесями обеспе-
чивалось получение плотных и хорошо сформированных швов
на низколегированной стали. Недостатком таких смесей является
разделение их составляющих по плотности, форме и величине
зерен. Во время подачи, транспортировки и других операций
более тяжелые частички ферросплава перемещаются вниз, что
приводит к повышению содержания ферросплава в одних объемах
флюса и снижению в других. Вследствие различия формы и вели-
чины зерен происходит отделение частиц плавикового шпата
от флюса. Результатом возникающей неоднородности состава
флюса является непостоянство химического состава и качества
сварных швов. В связи с этим механические смеси плавленых
флюсов с ферросплавами и минералами не применяют.
Ферросплавы могут быть введены во флюс в процессе его
плавки. Чтобы уменьшить возможность оседания ферросплавов
на дно печи, их вводят в измельченном виде перед выпуском флюса
из печи при перемешивании расплава. Недостатком такого спо-
соба введения является неравномерность распределения ферро-
сплавов в массе флюса вследствие различия плотности расплав-
ленного флюса и ферросплавов.
354
Кроме того, при наличии в составе флюса таких окислов,
как FeO, МпО, SiO2 и других флюс интенсивно реагирует с входя-
щими в состав ферросплавов элементами. Поскольку для раз-
личных плавок флюса время от загрузки ферросплава до грану-
ляции флюса может быть разным, окончательный состав нахо-
дящегося во флюсе ферросплава может значительно отличаться.
Этим вызвано непостоянство легирующего действия и технологи-
ческих свойств такого флюса.
Из плавленых и керамических флюсов можно изготовлять
флюсы-смеси. Входящие в состав керамического флюса ферро-
сплавы вместе с ним равномерно распределяются между зернами
плавленого флюса. Для уменьшения возможности разделения
составляющих смеси необходимо, чтобы объемная масса и форма
частиц смешиваемых плавленого и керамического флюсов были
по возможности близкими. Лучшие результаты достигаются
в том случае, если плавленый флюс имеет пемзовидное строение.
Использование шлаковых корок. При механизированных сварке
и наплавке под флюсом в результате расплавления флюса обра-
зуется значительное количество шлаковых корок, которые обычно
не используют. Вместе с тем в сущности составы и свойства шлака
и флюса отличаются мало. Разница состоит в небольшом измене-
нии химического состава флюса в процессе сварки и наличии
в шлаке металлических капель различного размера.
В шлаке по сравнению с исходным флюсом обычно содержится
несколько больше окислов железа и окиси кальция и несколько
меньше CaF2. Поэтому шлак по сравнению с флюсом имеет не-
сколько пониженную стойкость против образования кристалли-
зационных трещин и пор в металле шва и не может служить полно-
ценной заменой флюса при сварке. Однако во многих случаях
можно механически примешивать к флюсу некоторое количество
измельченной шлаковой корки,'не ухудшая этим заметно качество
металла шва или наплавки.
При определении количества измельченной шлаковой корки,
которое можно примешивать к флюсу, следует учитывать, на-
сколько высока в данных конкретных производственных условиях
стойкость сварных швов против образования пор и кристаллиза-
ционных трещин. Необходимо также принимать во внимание
и другие возможные стороны влияния такого примешивания на
качество сварных соединений. Чем выше стойкость швов против
образования пор и кристаллизационных трещин, тем большей
может быть примесь к флюсу измельченной шлаковой корки.
Необходимым условием использования шлаковых корок в ка-
честве примеси к флюсу является предупреждение загрязнения
их землей, смазкой и т. д., так как эти вещества ухудшают ка-
чество швов. Размер частиц измельченной шлаковой корки дол-
жен быть таким же, как и зерен флюса. На предприятиях, имею-
щих собственные флюсовые мастерские, использовать шлаковые
корки можно, добавляя их к шихте для выплавки флюса
23*	355
Флюсы для сварки и наплавки легированных сталей. Боль-
шинство требований, предъявляемых к флюсам для сварки угле-
родистых сталей, действительны и для флюсов, предназначенных
для сварки легированных сталей. Дополнительное требование —
минимальное окисление легирующих элементов, вводимых в шов
из основного металла и сварочной проволоки. Имеют место также
трудности в обеспечении хорошей отделимости шлака с поверх-
ности швов, содержащих ванадий или ниобий, а также хром.
Отделимость шлаковой корки зависит от окисляющего действия
жидкого флюса на поверхность затвердевшего шва. Длитель-
ность этого действия очень невелика и составляет для обычных
режимов электродуговой сварки 20—30 с. Жидкий шлак, содер-
жащий значительные количества FeO, МпО, SiO2 и ТЮ2, окис-
ляет поверхность затвердевшего металла шва. Образующаяся
весьма тонкая окисная пленка прочно удерживается на его поверх-
ности. Если поверхность металла окислена, а в составе шлака
находятся соединения, прочно сцепляющиеся с окисной пленкой
на шве (А12О3, Сг2О3 и др.), следует ожидать прочного удержива-
ния шлака на поверхности металла.
Введение в сварочную ванну небольших количеств сильных
раскислителей значительно улучшает отделимость шлака. Проч-
ность удерживания шлака возрастает при содержании в нем
заметных количеств окислов ванадия, ниобия, хрома и алюминия,
что приводит к образованию в ближайшем ко шву слое шлака
соединений, имеющих такую кристаллическую решетку, которая
достраивает решетку закиси железа. Для улучшения отделимости
шлаковой корки с поверхности шва следует принимать меры, за-
трудняющие образование и рост окисной пленки.
Выполнение требований, предъявляемых к флюсу как в отно-
шении минимального окисления примесей, так и легкой отдели-
мости шлака, обеспечивается применением флюсов с низким
содержанием окислов железа, марганца, кремния и титана, т. е.
с пониженными окислительными свойствами.
Снижение содержания SiO2 во флюсе для автоматической
и полуавтоматической дуговой сварки с целью уменьшения окис-
ляющего действия ухудшает его формирующие свойства. При
сварке под флюсом качество формирования швов остается удовле-
творительным, если уменьшение содержания SiO2 во флюсе ком-
пенсируется соответствующим повышением содержания А12О3,
способного подобно SiO2 придавать флюсу вязкость, делать его
«длинным». Поэтому в составе флюсов для сварки легированных
сталей обычно много окиси алюминия, причем ее концентрация
тем выше, чем меньше содержание SiO2.
Плавленые флюсы для сварки и наплавки легированных сталей
(см. табл. 7-31). Сведения о строении, цвете и размере зерен,
а также объемной массе приведены в табл. 7-32—7-34. Флюсы
АН-20С, АН-20СМ и АН-20П имеют одинаковый химический состав
и отличаются лишь по размеру и строению зерен. Эти флюсы
356
предназначены для дуговой автоматической наплавки легирован-
ных сталей и сварки легированных сталей соответствующими
сварочными проволоками.
Флюс АН-22 предназначен для электрошлаковой сварки и ду-
говой автоматической сварки и наплавки легированной сварочной
проволокой; флюсы АН-26С, АН-26П и АН-26СП — для авто-
матической и полуавтоматической сварки нержавеющих, корро-
зионностойких и жаропрочных сталей соответствующими свароч-
ными проволоками. Индекс СП указывает, что флюс состоит из
зерен стекловидного и пемзовидного строения. При надлежащем
выборе технологии низкокремнистые флюсы перечисленных выше
марок можно применять для сварки и наплавки иных типов стали
в сочетании с соответствующими сварочными проволоками.
Из силикатов, алюминатов и алюмосиликатов магния состо-
ит флюс 48-ОФ-Ю. В его составе много CaF2. Флюс предназна-
чен для дуговой наплавки лентой и сварки легированных
и низколегированных сталей. Для наплавки легированных ста-
лей и чугуна предназначен флюс АН-28. Суммарное содержа-
ние SiO2 и А12О3 в нем составляет 43—53%, СаО и CaF2 47—53%.
Флюс имеет пемзовидное строение и цвет от белого до темно-
серого. Высокие стабилизирующие свойства флюса АН-28 позво-
ляют надежно вести наплавку не только проволокой, но и широкой
лентой. Для сварки легированных сталей предназначен и флюс
АВ-5 (табл. 7-37).
Проведенные в ИЭС им. Е. О. Патона исследования показали,
что введение в состав низкокремнистых флюсов окислов железа
способствует значительному улучшению механических свойств
металла шва. С этой целью разработаны флюсы АН-17, АН-17М
и другие, имеющие стекловидное строение и черный цвет.
Разработка составов низкокремнистых флюсов за рубежом
вызвана необходимостью при сварке углеродистых сталей умень-
шить окисление вводимого с проволокой марганца. Высококрем-
Таблица 7-37
Состав плавленых низкокремнистых флюсов, % по массе
Марка флюса	SiO2	А12Оз	СаО	МпО	MgO	Са F2	Na2O и К2О	FeO
48-ОФ-10	9—12	28—34	< 8			11—14	35—45				
АН-28	5—10	36—45	35—44		<2	5—15	1—2	<2
АВ-5 *	15—20	18—23,5	12—18	—	—	35—45	3	—
'АН-17	17—21	21—25	14,5—18,5	4—6	9—12	19—23	—	7,5—9,5
Rot	35	20	31	—	10	3	—	<1
Grim **	32	16	29	6	9	4	2	s£0,5
-UM90 **	33	20	7	28	2	5	—	<2
Примечание. Дополнительно содержат * 4 — 5% NaF, ** 1% TiO2.
357
нистые безмарганцевые флюсы типа UM20 или UM30, содержа-
щие около 50% SiO2, вследствие развития кремневосстановитель-
ного процесса значительно уменьшают содержание марганца
в металле сварочной ванны. Меньшего окисления марганца до-
стигли заменой части SiO2 окисью алюминия — флюс Rot, а также
введением в состав флюса окислов марганца — флюсы UM90
и Grun (см. табл. 7-38).
Хотя окислительное действие низкокремнистых флюсов, осо-
бенно не содержащих окислов марганца, на металл сварочной
ванны невелико, все же оно достаточно, чтобы полностью или
в значительной степени окислить и перевести в шлак такие эле-
менты, как титан, алюминий, цирконий и др. Недо татком этих
флюсов является также плохая отделимость шлака от поверх-
ности швов, содержащих ванадий и ниобий, вследствие окисления
поверхности шва жидким шлаком. Низкокремнистые флюсы
мало пригодны для получения стабильноаустенитных швов и
сварки высоконикелевых жаропрочных сплавов ввиду недопу-
стимо высокой окислительной способности, загрязнения металла
шва неметаллическими силикатными включениями и значитель-
ного перехода кремния в шов.
Перечисленные недостатки низкокремнистых флюсов вызвали
необходимость разработки и применения бескремнистых, безмар-
ганцевых флюсов, не содержащих в своем составе SiO2, МпО
и других непрочных окислов или же содержащих их только в ка-
честве загрязняющей примеси. Бескремнистые флюсы состоят
из таких прочных окислов, как А12О3, СаО и MgO, а также из
фторидов щелочных и щелочноземельных металлов (табл. 7-38).
Флюс 48-ОФ-6 применяют при автоматической дуговой сварке
и наплавке легированных сталей. Состоящий из фтористого каль-
ция и прочных окислов (см. табл. 7-38), он мало влияет на хими-
ческий состав металла шва. Гранулированный по мокрому спо-
собу флюс 48-ОФ-6 с целью возможно более полного удаления
из него влаги обязательно прокаливают при высокой темпера-
туре.
Для автоматической дуговой наплавки легированных сталей
предназначены флюсы АН-30 и АН-70 (см. табл. 7-38). Флюс АН-30
имеет стекловидное строение зерен, флюс АН-70 — пемзовидное.
К бескремнистым относятся флюсы АНФ-6 и АНФ-7, нашедшие
Таблица 7-38
Состав плавленых бескремнистых флюсов, % по массе
Марка флюса	CaF2	NaF	А12Оз	СаО	MgO	S1O2	FeO
						не б	олее
48-ОФ-6	45—60			20—27	16—23	<3	4	1,5
АН-30	19—23	—	39—44	16—20,5	13—16	2—5	1,0
АН-70	15—25	1—3	35—45	25—35	—	8	1,0
358
Таблица 7-39
Состав плавленых флюсов, применяемых при свйркё
высоколегированных сталей и сплавов, % по массе
Марка флюса	CaF2	NaF	А12Оз	СаО	MgO	S102
АНФ-Ш		92—96					4—6			<1,5
АНФ-5 		75—80	17—25	—	—	—.	
АНФ-7 		65—75	—	—	18—30	—	<2
АНФ-8 ....	45—55	—	25—35	12—18	—	<2
АНФ-23		61—64		21—25	10—13	—.	<2
АНФ-22		86—92	—	—	2—3	—	—
АНФ-17		48—55	—	22—26	3—5	—	Следы
АНФ-14		60—65	.—.	10—12	С 0,8	4—8	14—16
АНФ-16 . .	50—55	5—7	23—32	» 5	5—9	<5
АН-29	. .	10—15	—	40—50	35—45	—	Следы
АН-292 . .	—	—	58—61	33—37	4—7	<1,5
Примечание. В состав флюса АНФ-22 входит также 8 —12% В2О3, а в состав
флюса АНФ-17 — 4 — 8% К2О и 9—13% МпО.
преимущественное применение при электрошлаковой переплаве
Зерна этих флюсов имеют камневидное строение.
Плавленые флюсы для сварки высоколегированных сталей
и сплавов. Для сварки высоколегированных сталей и сплавов
преимущественно применяют флюсы с высоким содержанием
фтористых соединений (фторидные флюсы). По химическому со-
ставу они относятся к солевому или солеоксидному типам. Кроме
того, для сварки высоколегированных сталей и сплавов находят
применение низкокремнистые флюсы и так называемые высоко-
основные флюсы.
Сварку высоколегированных сталей под низкокремнистыми,
бескремнистыми и фторидными флюсами, как правило, ведут
на постоянном токе обратной полярности. Сварка на пере-
менном токе дает отрицательные результаты как в отношении
устойчивости дугового процесса, так и в отношении качества
получаемых швов.
В зависимости от характера воздействия на металл сварочной
ванны фторидные флюсы подразделяют на бескислородные, без-
окислительные и окислительные (табл. 7-39).
Основой фторидных бескислородных флюсов (АНФ-1П, АНФ-5,
АНФ-24) является фтористый кальций, в качестве добавок исполь-
зуются фториды натрия (АНФ-5), магния (АНФ-24), бария и др.
При сварке достигается высокое усвоение таких легирующих
элементов, как титан, алюминий, бор, так как бескислородные
флюсы их почти не окисляют. Кроме того, снижается содержание
серы в металле шва. Вместе с тем эти флюсы не лишены технологи-
ческих недостатков: ухудшенное формирование сварных швов
и способность шунтировать дугу расплавленным шлаком, в ре-
359
Эультате чего нарушается устойчивость дугового процесса. Бес-
кислородные флюсы применяют преимущественно для сварки
аустенитными швами сталей и сплавов, содержащих легкоокис-
ляющиеся элементы.
Фторидные безокислительные флюсы (АНФ-7, АНФ-8, АНФ-23)
имеют фторидную основу (до 50%) и содержат некоторое коли-
чество прочных окислов, например СаО, MgO или А12О3. Введение
этих окислов продиктовано в основном стремлением улучшить
формирующие свойства фторидных флюсов. Безокислительные
фторидные флюсы рекомендуется применять для сварки аусте-
нитных швов.
Фторидные окислительные флюсы также имеют фторидную
основу, но содержат наряду с прочными окислами такие непроч-
ные кислородные соединения, как окислы марганца (флюсы
АНФ-15, АНФ-17), окись бора (флюс АНФ-22). Флюс АНФ-17
предназначен для сварки чистоаустенитных швов, не содержащих
титана, алюминия и бора, флюс АНФ-22 — для сварки аустенитно-
боридных швов.
Сварка под фторидными окислительными флюсами, содержа-
щими окислы марганца и бора, сопровождается окислением крем-
ния, серы, фосфора и легированием металла шва марганцем и бо-
ром. Марганец и бор (при содержании более 0,2%) положительно
влияют на стойкость чистоаустенитных швов против образования
кристаллизационных трещин. Естественно, что при этом наблю-
дается значительный угар титана и алюминия. Чтобы компенси-
ровать потерю этих элементов и связанное с этим снижение проч-
ности металла шва, используют сварочные проволоки, дополни-
тельно легированные ниобием, молибденом и вольфрамом.
Интенсивность окислительно-восстановительных процессов
при сварке под фторидными окислительными флюсами увеличи-
вается с ростом напряжения дуги и уменьшением величины сва-
рочного тока.
Фторидные окислительные флюсы АНФ-14, АНФ-16 и АНФ-25
(система CaF—А12О3—СаО—MgO—SiO2) рекомендуют для сварки
аустенитно-ферритных швов и швов на хромистых коррозионностой-
ких сталях. Для тех же сталей применяют низкокремнистые флюсы
48-ОФ-Ю и АН-26. Низкокремнистые окислительные флюсы при-
годны также и для сварки аустенитных сталей. Так, хорошие
результаты получены при сварке стабильноаустенитной стали
ЭИ943 и других под флюсом АН-18, содержащим окислы железа.
К высокоосновным относятся окисные флюсы на основе
устойчивых окислов СаО, MgO, А12О3. Они могут содержать
также некоторое количество фторидов (флюс АН-29). Высокоос-
новные флюсы сочетают в себе хорошие металлургические и тех-
нологические свойства. Их особенность состоит в том, что во избе-
жание образования пор сварку под ними необходимо выполнять
на постоянном токе прямой полярности, тогда как при исполь-
зовании фторидных и низкокремнистых флюсов — на постоянном
360
токе обратной полярности. Под высокоосновными флюсами АН-29,
АН-292 и т. п. рекомендуется сваривать чистоаустенитные швы
(см. табл. 7-39).
При выплавке в восстановительных условиях в высокооснов-
ных флюсах образуются карбиды кальция и магния. Такие кар-
бидные флюсы рекомендуется применять при сварке аустенитно-
карбидных швов. При сварке под карбидными флюсами повы-
шается стойкость металла шва против образования кристалли-
зационных трещин и пор.
Во избежание пор в швах фторидные флюсы необходимо про-
каливать в интервале температур 500—900° С в течение 1—2 ч.
Флюсы стекловидного строения, например АН-26С, можно про-
каливать и при более низких температурах, соответственно уве-
личив время выдержки.
Керамические флюсы для сварки легированных сталей. В соче-
тании с керамическими флюсами для сварки легированных ста-
лей используют как низкоуглеродистую, так и легированную
и высоколегированную сварочную проволоку. В первом случае
введение в металл шва всех необходимых легирующих элементов
обеспечивается за счет керамического флюса и основного металла.
Во втором случае с керамическим флюсом в металл шва доба-
вочно вводят только элементы, отсутствующие или почти отсут-
ствующие в составе сварочной проволоки и основного металла.
В зависимости от того, для сварки какой стали и в сочетании
с какой проволокой применяется керамический флюс, подбирают
состав его металлических составляющих.
По составу шлакообразующих веществ керамические флюсы
для сварки легированных сталей преимущественно являются
высокоосновными. Благодаря этому сводится к минимуму окисле-
ние легирующих элементов свариваемого металла, проволоки
и самого флюса в процессе сварки.
В зависимости от шлакообразующих компонентов различают
керамические флюсы для сварки легированных сталей на
основе:
1) мрамора, содержащие флюорит и прочные окислы (TiO2,
MgO); 2) магнезита (MgO), глинозема и флюорита, содержащие
небольшие количества карбонатов и других веществ окислите-
лей; 3) фторидов и глинозема (типа ФЦК).
Флюсы первой группы выделяют большое количество газов
в процессе сварки и обеспечивают недостаточно хорошее формиро-
вание сварных швов. Наличие большого количества мрамора
в их составе ведет к интенсивному выделению углекислого газа.
В качестве вяжущего вещества при их изготовлении используют
жидкое стекло, содержащее SiO2. Углекислый газ и двуокись
кремния окисляют металл сварочной ванны, в особенности легко
окисляемые элементы (алюминий, титан и др.). В связи с этим
в состав флюсов приходится вводить относительно большие коли-
чества легирующих компонентов и раскислителей.
361
Керамические флюсы второй группы отличаются хорошими
технологическими свойствами в широком диапазоне режимов
сварки и обеспечивают высокую хладостойкость швов при сварке
низколегированных сталей.
Шлакообразующей основой керамических флюсов типа ФЦК
являются фториды и хлориды щелочных и щелочноземельных ме-
таллов, а также глинозем. Последний вводят для улучшения
качества формирования швов. Флюсы типа ФЦК изготовляют
спеканием смесей порошкообразных материалов при высоких
температурах без введения в их состав жидкого стекла. В связи
с особенностями состава и технологии изготовления эти флюсы
практически полностью пассивны по отношению к легкоокисляе-
мым элементам.
Флюсы для сварки цветных металлов и сплавов. Дуговая
сварка под флюсом и электрошлаковая сварка находят все боль-
шее применение при получении неразъемных соединений цвет-
ных металлов и сплавов. Во многих случаях эти способы сварки
имеют преимущество перед дуговой сваркой в среде защитных
газов. Рассмотрим отдельно флюсы для сварки алюминия, титана
и меди.
Флюсы для сварки алюминия и его сплавов. К флюсам для сварки
алюминия и его сплавов предъявляют следующие требования:
химическая нейтральность или небольшая химическая активность
по отношению к жидкому металлу сварочной ванны и к металлу
шва; легкоплавкость, так как температуры плавления алюминия
и его сплавов очень низкие (для алюминия она равна 600° С);
малая плотность, так как плотность алюминия в 3 раза меньше
плотности стали. Этим требованиям удовлетворяют флюсы, со-
стоящие из фторидов и хлоридов щелочных и других металлов.
Ввиду высокой склонности швов на алюминии и его сплавах
к образованию пор сварка под флюсом этих металлов не нашла
практического применения.
В небольшом объеме используют сварку по флюсу. При этом
способе металл сварочной ванны защищают от действия воздуха
пары флюса, образующиеся при нагревании жидкого флюса тепло-
той дуги. Для сварки по флюсу алюминия и его сплавов, не содер-
жащих магния, применяют флюс АН-А1. Состав флюса: 50%
хлористого калия, 30% криолита и 20% хлористого натрия. Коли-
чества КО может колебаться во флюсеот 40 до 50%, a NaCl от 15 до
30% без вреда для устойчивости процесса сварки и качества
металла шва. Флюс АН-А1 изготовляют сплавлением входящих
в его состав солей или механическим их смешиванием.
Для сварки алюминиевомагниевых сплавов флюс АН-А1
непригоден, потому что натрий из флюса частично восстанавли-
вается и поступает в шов. Это повышает пористость швов и зна-
чительно уменьшает пластичность металла шва. Для сварки алю-
миниево-магниевых сплавов применяют флюс АН-А4, не содержа-
щий солей натрия.
362
Для электрошлаковой сварки алЮмййия и efo сплавов раз-
работано несколько специальных флюсов, содержащих 20—
60% КС1, 10—40% LiCl, 5—30% ВаС12 и 2—20% LiF.
Флюсы для сварки титана и его сплавов. Титан и его сплавы
обычно сваривают под флюсом или в среде защитного газа. Флюс
для сварки титана и его сплавов должен защищать зону сварки
от доступа воздуха, а при взаимодействии с титаном не загрязнять
его вредными примесями. Положительные результаты в отноше-
нии устойчивости процесса сварки, формирования швов, их плот-
ности и химического состава получены при применении бескисло-
родных флюсов, состоящих из наиболее тугоплавких фторидов
щелочных и щелочноземельных металлов.
Весьма важной металлургической особенностью сварки титана
и его сплавов под флюсом является взаимодействие флюса с ме-
таллом, в результате чего возможно восстановление титаном
натрия из фтористого натрия, чем, по-видимому, и объясняется
измельчение структуры металла шва при сварке под флюсами
с фтористым натрием. Фтористый натрий и фтористый кальций
могут реагировать с окислами титана. Кроме того, фтористые
соединения могут растворять окислы титана.
С точки зрения наиболее полного металлургического взаимо-
действия флюса с титаном и его окислами, з состав флюса жела-
тельно вводить больше фтористых соединений и меньше хло-
ристых. Из фторидов в качестве компонентов флюса наиболее
подходят те, которые вместе с высокой температурой плавления
способны лучше реагировать с окислами титана. Однако флюс,
состоящий только из фтористых соединений, не обладает необхо-
димыми технологическими свойствами, поэтому часть фтористых
соединений заменяют хлористыми.
Для сварки титана и его сплавов разработан ряд флюсов
серии АН-Т, изготовляемых сплавлением смеси порошкообразных
фторидов и хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов.
Компонентами шихты для выплавки этих флюсов служат чистые
химические реактивы. По химическому составу флюсы для сварки
титана и его сплавов — это двух- или трехкомпонентные солевые
сплавы, главной составляющей которых является CaF2. Их сле-
дует хранить в сухом месте в герметически закрытой посуде,
а перед сваркой просушивать при температуре 200—300° С.
Содержание влаги во флюсе не должно превышать 0,05%.
При электрошлаковой сварке титана хорошие результаты
получены при использовании однокомпонентного флюса АН-Т2.
Однако чтобы предупредить загрязнение металла шва азотом,
кислородом и водородом, одной шлаковой защиты недостаточно.
Газы в шов могут проникнуть из воздуха через шлаковую ванну,
поэтому при электрошлаковой сварке титана поверхность шлако-
вой ванны необходимо защищать от воздуха инертным газом.
Флюсы для сварки меди и ее сплавов. Вследствие небольшой
химической активности меди и ряда ее сплавов при их сварке
363
применяют флюсы, используемые для сварки стали (АН-26, АН-20,
АН-348-А). При сварке на постоянном токе обратной полярности
эти флюсы обеспечивают удовлетворительную устойчивость дуго-
вого процесса. Флюс АН-348-А и другие высококремнистые мар-
ганцевые флюсы рекомендуется применять только при сварке
меди толщиной не свыше 8 мм. Для сварки более толстого металла
используют флюсы АН-26 или АН-20 стекловидного строения.
Хотя интервал температур плавления перечисленных флюсов
(1100—1250° С) лежит выше температуры плавления меди (1083° С)
и ее сплавов (900—1050° С), при сварке под ними обеспечивается
удовлетворительное формирование сварных швов. Отделимость
шлака с поверхности шва вполне удовлетворительная. Шлак
с поверхности швов на латуни отделяется лучше, чем с поверхности
швов на меди и бронзе.
Для повышения стойкости швов против пористости при сварке
меди большой толщины рекомендуется механическая смесь флю-
сов АН-26П (80%) и АН-60 (20%). Для электрошлаковой сварки
меди разработаны флюсы на основе фтористых солей щелочно-
земельных металлов.
Флюсы для электрошлаковой сварки. Вследствие принци-
пиальных отличий процесса электрошлаковой сварки от электро-
дуговой флюсы для электрошлаковой сварки углеродистых и ле-
гированных сталей следует рассмотреть отдельно. Особые требо-
вания, предъявляемые к флюсам для электрошлаковой сварки,
обусловлены, с одной стороны, необходимостью обеспечить устой-
чивый электрошлаковый процесс и, с другой — наличием устройств
для удержания шлаковой и металлической ванн.
Флюс для электрошлаковой сварки должен соответствовать
следующим требованиям: обеспечивать быстрое и легкое начало
электрошлакового процесса и поддерживать устойчивое его про-
хождение, в особенности при малой глубине шлаковой ванны
и большой скорости подачи сварочной проволоки; обеспечивать
удовлетворительное формирование поверхности шва без подрезов
и наплывов, не отжимать ползуны от свариваемых пластин и не
вытекать в зазоры между ползунами и кромками при достижимой
на практике точности сборки свариваемых изделий; образовывать
легко отделяющийся с поверхности шва шлак; иметь высокую
температуру кипения.
Эти требования в основном удовлетворяются при соответ-
ствующих значениях электропроводности и вязкости флюса.
Все флюсы, применяемые при электрошлаковой сварке (см.
табл. 7-1, 7-3 и 7-39), плавленые. По химическому составу их
можно разделить на несколько групп: высококремнистые марган-
цевые (ФЦ-7, АН-348-А); низкокремнистые марганцевые (АН-8,
АН-22); бескремнистые (48-ОФ-6, АН-25); фторидные (АНФ-1П,
АНФ-5 и др.).
Устойчивость электрошлакового процесса возрастает с повы-
шением электропроводности флюса в жидком состоянии. Чем
334
Рис. 7-36. Изменение вязкости некоторых
флюсов в зависимости от темпера-
туры
меньше электропроводность флюса,
тем при более высоком напряжении
необходимо проводить электрошла-
ковую сварку. Соответственно этому
напряжение сварки при флюсе
АНФ-Ш обычно составляет 25—30
В, при флюсе АН-8 — около 40 В,
а при флюсе ФЦ-7— 45—50 В.
не должен быть слишком
Флюс для электрошлаковой сварки
тугоплавким или коротким, в противном случае будет иметь
место отжимание ползунов, приводящее при сварке швов большой
протяженности к вытеканию сварочной ванны и прекращению
процесса сварки. Вместе с тем, чтобы флюс не вытекал в зазоры
между ползунами, он не должен быть чрезмерно жидкотеку-
чим.
При электрошлаковой сварке требуется оптимальная вязкость
флюса, при которой не произойдет ни отжимания ползунов от
свариваемых кромок, ни вытекания шлака в зазоры. Если шов
формируется без применения ползунов (сварка с неподвижной
подкладкой), вязкость флюса играет второстепенную роль и основ-
ным требованием, предъявляемым к физическим свойствам флюса,
является высокая электропроводность.
Флюсы АН-348-А, АН-8, АН-22 и АНФ-Ш заметно отличаются
как по характеру изменения вязкости (рис. 7-36), так и по абсо-
лютной ее величине при температуре плавления стали. Наиболее
длинным является флюс АН-8, а наиболее коротким — флюс
АНФ-1П. Флюс АН-8 расплавляется при наиболее низкой темпера-
туре, затем идут флюсы АН-22 и АН-348-А. Наиболее тугоплавкий
флюс — флюс АНФ-Ш. В связи с этим наибольшая опасность
отжимания формирующих устройств и вытекания шлаковой ванны
возникает при флюсе АНФ-1П.
Опыт электрошлаковой сварки показывает, что лучшими тех-
нологическими свойствами при сварке углеродистой и низколеги-
рованной сталей низкоуглеродистой или низколегированной про-
волокой протяженными швами с применением формирующих пол-
зунов обладает флюс АН-8. Флюсы ФЦ-7 и АН-348-А мало при-
годны для сварки таких швов; процесс сварки под этими флюсами
характеризуется меньшей устойчивостью, особенно при повышен-
ных скоростях подачи проволоки и малой глубине шлаковой ванны.
Флюс АН-22 обеспечивает очень хорошие результаты при электро-
шлаковой сварке низколегированных и легированных ста-
лей.
Для электрошлакового переплава сталей лучшими являются
флюсы на основе CaF2, А12О3 и СаО (АНФ-6, АНФ-Ш и др.).
565
Для начала электрошлакового процесса служит флюс АН-25,
электропроводный в твердом состоянии. Другие флюсы, предназ-
наченные для электрошлаковой сварки, находясь в твердом со-
стоянии, электрического тока не проводят. Для обеспечения на-
чала электрошлакового процесса при применении флюса АН-25
кусочки его помещают между свариваемым изделием и электродом.
Проводя сварочный ток, они нагреваются, а затем образуют
ванночку шлака, позволяющую начать электрошлаковый процесс.
Состав флюса АН-25 следующий (по массе %): 35—40 TiO2, 33—
40 CaF2, 12—15 СаО, 6—9 SiO2, 2—4 MgO, до 2 А12О3, до 1 FeO.
Чтобы начать электрошлаковую сварку без флюса АН-25,
сперва возбуждают электрическую дугу с целью создания ван-
ночки жидкого флюса, позволяющей перейти к электрошлако-
вому процессу. В жидком состоянии все флюсы проводят электри-
ческий ток.
Электрошлаковая сварка характеризуется весьма небольшим
расходом флюса, примерно в 20 раз меньшим, чем при дуговой
сварке под флюсом. Ввиду малого обмена шлака в процессе сварки
в шлаковой ванне постепенно накапливаются продукты взаимо-
действия шлака и металла, в первую очередь окислы железа.
В результате тормозится прохождение кремние- и марганце-
восстановительных процессов, усиливается окисление углерода
и таких легирующих элементов, как титан, алюминий, хром.
Это ведет к некоторому изменению химического состава металла
шва по его длине.
§ 7-5. Защитные газы
В качестве защитных газов при сварке плавлением
применяют инертные газы, активные газы и их смеси.
Инертные газы. Инертными называют газы, не способные
к химическим реакциям и практически не растворимые в металлах.
Это одноатомные газы, атомы которых имеют заполненные электро-
нами наружные электронные оболочки, чем и обусловлена их хи-
мическая инертность. Из инертных газов для сварки используют
аргон, гелий и их смеси.
Аргон — негорючий и невзрывоопасный газ. Он не образует
взрывчатых смесей с воздухом. Будучи тяжелее воздуха, аргон
обеспечивает хорошую газовую защиту сварочной ванны. Аргон
газообразный чистый поставляется согласно ГОСТ 10157—62
трех марок: А, Б и В (табл. 7-40). Содержание влаги для газооб-
разного аргона всех трех марок не должно превышать 0,03 г/м3.
Аргон марки А рекомендуется применять для сварки и плавки
активных и редких металлов (титана, циркония и ниобия) и спла-
вов на их основе, а также для сварки особо ответственных изделий
из других материалов на заключительных этапах изготовления.
Аргон марки Б предназначен для сварки и плавки плавящимся
и неплавящимся вольфрамовым электродом сплавов на основе
366
алюминия и магния, а также других сплавов, чувствитель- ных к примесям растворимых в металле газов. Аргон марки В рекомендуется для сварки и плавки хромоникелевых корро- зионностойких и жаропрочных сплавов, легированных сталей различных марок и чистого алюминия.	Таблица 7-40 Состав газообразного аргона (ГОСТ 10157—62), об %			
	Содержание	А	Б	В
	Аргона Кислорода Азота	99,99 0,003 0,01	99,96 0,005 0,04	99,90 0,005 0,10 	
Аргон следует хранить и
транспортировать в стальных цельнотянутых баллонах, соответст-
вующих требованиям ГОСТ 949—57. В баллоне при давлении
150 ат содержится около 6 м3 газообразного аргона. Баллон для
хранения чистого аргона окрашен в нижней части в черный,
а в верхней части — в белый цвет. На верхней части баллона
черными буквами нанесена надпись «Аргон чистый».
Аргон в основном получают из воздуха, в котором он содер-
жится в относительно небольшом количестве (1,28% по массе).
Производство аргона осуществляется на кислородных установках
с аргонными приставками. В этих приставках сырой аргон очи-
щается до необходимой степени чистоты от азота и кислорода.
Гелий подобно аргону химически инертен, но в отличие от
него значительно более легок Гелий легче воздуха, что услож-
няет защиту сварочной ванны и требует большего расхода защит-
ного газа. По сравнению с аргоном гелий обеспечивает более
интенсивный нагрев зоны сварки, что обусловливается большим
градиентом падения напряжения в дуге.
Гелий поставляют по МРТУ 51—77—66 двух сортов — гелий
высокой чистоты и гелий технический (табл. 7-41). Хранят и транс-
портируют гелий в стальных
Таблица 7-41	цельнотянутых баллонах при
Состав газообразного гелия
(МРТУ 51-77—66), об. %
Содержание	Гелий высокой чистоты	Гелий техни- ческий
Гелия (не менее) Водорода (не бо-	99,985	99,8
лее)	0,0025	0,06
Азота (не более) Кислорода (не бо-	0 005	0,12
лее) Углеводородов (не	0,002	0,005
более)	0,003	0,005
Неона (не более) Точка росы (не	0,002	0,005
выше)	-55° С	—50° С
давлении до 150 ат. Баллоны
с гелием окрашены в коричне-
вый цвет с надписью белыми
буквами «Гелий». Баллоны
должны соответствовать требо-
ваниям ГОСТ 949—57.
Гелий добывают из природ-
ных углеводородных газов пу-
тем их охлаждения в специаль-
ных установках. При этом газо-
образные метан, этан и другие
углеводороды сжижаются, а ге-
лий остается в газообразном
состоянии, так как имеет очень
низкую температуру сжижения
(—269° С). Особенно богаты
367
гелием природные газы в США, что определяет широкое приме-
нение гелия для сварки в этой стране. В небольшом количестве
гелий содержится в воздухе, и его подобно аргону получают
в качестве побочного продукта в кислородных установках.
Инертные газовые смеси состоят, как правило, из аргона
и гелия. Обладая большей плотностью, чем гелий, такие смеси
лучше защищают металл сварочной ванны от воздуха. Особенно
хорошими защитными свойствами обладает инертная газовая
смесь, состоящая из 70 об. % аргона и 30. об.% гелия. Плотность
такой смеси близка к плотности воздуха. Для сварки химически
активных металлов находит применение инертная смесь, содержа-
щая 60—65 об. % гелия, а остальное аргон. Инертные газовые
смеси хотя заметно дороже, чем аргон, но превосходят его по ин-
тенсивности выделения теплоты электрической дуги в зоне сварки.
Это имеет существенное значение при сварке металлов с высокой
теплопроводностью.
Инертные газовые смеси требуемого состава обычно получают
путем смешивания газов, поступающих из двух отдельных балло-
нов, при помощи специальных смесителей. Некоторые зарубеж-
ные фирмы поставляют в баллонах готовую аргоно-гелиевую
смесь требуемого состава.
Д Смеси инертных и активных газов находят все более широкое
применение при сварке плавящимся электродом сталей различ-
ных классов ввиду их технологических преимуществ: меньшей
по сравнению с активными газами интенсивностью химического
воздействия на металл сварочной ванны, высокой устойчивости
дугового процесса, благоприятного характера переноса электрод-
ного металла через дугу. По сравнению с чистым аргоном смеси
инертных и активных газов имеют преимущества при сварке
конструкционных сталей. Известно, что при плавящемся элек-
троде лучшие характеристики процесса сварки обычно достигаются
на постоянном токе обратной полярности. Однако при сварке
стали применение в качестве защитного газа чистого аргона сопро-
вождается нестабильностью положения катодного пятна на по-
верхности изделия. В результате получаются плохо сформиро-
ванные сварные швы.\|
Добавка к аргону небольшого количества кислорода или
другого окислительного газа существенно повышает устойчивость
горения дуги и улучшает качество формирования сварных швов.
Наличие кислорода в атмосфере дуги способствует более мелко-
капельному переносу электродного металла. Это обусловлено
поверхностно-активным действием кислорода на железо и его
сплавы. Растворяясь в жидком металле и скапливаясь преимуще-
ственно на поверхности, кислород значительно снижает его по-
верхностное натяжение. В результате облегчается образование
отдельных капель металла, а их размер уменьшается. Поэтому
для сварки стали применяют не чистый аргон, а смеси с кисло-
родом и углекислым газом Аг—О2, Аг—СО2, Аг—СО2—Ог.
368
Рис. 7-37. Форма провара при сварке в за-
щитных газах:
а — в аргоне;
б — в углекислом газе
Для сварки аустенитных сталей а)	3)
плавящимся электродом рекомен-
дуется применять аргон с добавкой 1 об. % кислорода. Такая
газовая смесь обеспечивает устойчивый процесс сварки и вместе
с тем слабо окисляет металл сварочной ванны. Смесь аргона
с 2 или 5 об. % кислорода целесообразно применять при сварке
ферритных сталей, когда требуется струйный перенос электрод-
ного металла. При сварке в таких газовых смесях качество форми-
рования швов высокое, а разбрызгивание электродного металла
очень невелико. Недостатками упомянутых смесей аргона с кисло-
родом являются интенсивное излучение дуги и характерное для
аргона пальцевидное проплавление основного металла.
V В этом отношении значительно лучшими являются смеси,
содержащие углекислый газ. При сварке в смесях Аг +20% СО2
и Аг + (15-ь 30%) СО2 + 5% О2 интенсивность излучения столба
дуги относительно невелика, а форма проплавления основного
металла такая же, как и у углекислого газа (рис. 7-37). Вместе
с тем эти смеси по химическому воздействию на металл сварочной
ванны приближаются к углекислому газу. \j
Из табл. 7-42 видно, что наиболее неблагоприятные изменения
химического состава металла сварочной ванны происходят при
защите углекислым газом. Металл науглероживается, а содержа-
ние марганца, ниобия и кремния заметно снижается. В резуль-
тате снижается коррозионная стойкость металла шва, характе-
ризуемая соотношением концентраций ниобия и углерода. Металл
шва, сваренный в смеси Аг +1 % О2, наименее отличается по хими-
ческому составу от исходной сварочной проволоки. Швы, сва-
ренные в газовых смесях, содержащих углекислый газ, занимают
в этом отношении промежуточное положение. Вместе с тем окисле-
ние металла сварочной ванны входящими в состав газовых смесей
Таблица 7-42
Состав металла шва, сваренного аустенитной проволокой, % не менее
Защитная среда	С	Si	Мп	Ni	Сг	Nb	Соотно- шение Nb . С
со2	...	0,13	0,46	0,51	8,3	18,3	0,63	4,8
Аг + 1% О2 ....	0,06	0,60	0,65	8,3	18,6	0,79	13,2
Аг -р 20% СО2 ....	0,10	0,56	0,62	8,3	18,5	0,79	7,9
Аг + 15% СО2 + 5% О2	0,08	0,57	0,60	8,3	18,5	0,83	10,2
Состав проволоки . . .	0,06	0,62	0,70	8,3	18,6	0,83	13,8
24 Заказ № 782
369
активными газами имеет и положительное значение, о чем уже
говорилось выше.
Аргоно-водородную смесь (до 20 об. % Н2) применяют при
микроплазменной сварке Наличие водорода в смеси обеспечивает
сжатие столба плазмы, делает его более острым, сконцентриро-
ванным. Кроме того, водород создает в зоне сварки необходимую
в ряде случаев восстановительную атмосферу.
При транспортировке баллонов с газом и работе с ними необ-
ходимо соблюдать правила обращения с баллонами высокого дав-
ления Вследствие высокого внутреннего давления стенки балло-
нов находятся в напряженном состоянии и всякое местное возра-
стание напряжений может служить причиной разрушения недоста-
точно высококачественного баллона. Поэтому баллоны со сжатыми
газами нельзя бросать и подвергать ударам и нагреву. Особую
осторожность следует соблюдать зимой. У рабочего места баллон
должен быть размещен вертикально и обязательно закреплен.
Активные газы. Активными защитными газами называют газы,
способные защищать зону сварки от доступа воздуха и вместе
с тем химически реагирующие со свариваемым металлом или
физически растворяющиеся в нем. При дуговой сварке стали
в качестве защитной среды применяют углекислый газ Ввиду
химической активности его по отношению к вольфраму сварку
в этом газе ведут только плавящимся электродом. Применение
углекислого газа обеспечивает надежную защиту зоны сварки
от соприкосновения с воздухом и предупреждает азотирование
металла шва. Углекислый газ оказывает на металл сварочной
ванны окисляющее, а также науглероживающее действие (см.
табл. 7-42) Из легирующих элементов ванны наиболее сильно
окисляются алюминий, титан и цирконий, менее интенсивно —
кремний, марганец, хром, ванадий и др
Препятствием для применения углекислого газа в качестве
защитной среды прежде являлись поры в швах. Поры вызывались
кипением затвердевающего металла сварочной ванны от выделе-
ния СО вследствие недостаточной его раскисленности. Примене-
ние сварочных проволок с повышенным содержанием кремния
устранило этот недостаток, что позволило широко использовать
углекислый газ в сварочном производстве
Углекислый газ (двуокись углерода) бесцветен, не ядовит,
тяжелее воздуха. При давлении 760 мм рт ст. и температуре 0° С
плотность углекислого газа равна 1,97686 г/л, что в 1,5 раза
больше плотности воздуха. Углекислый газ хорошо растворяется
в воде. Жидкая углекислота — бесцветная жидкость, плотность
которой сильно изменяется с изменением температуры. Вследствие
этого она поставляется по массе, а не по объему. При испарении
1 кг жидкой углекислоты в нормальных условиях (760 мм рт. ст.,
0° С) образуется 509 л углекислого газа.
В промышленном масштабе углекислоту получают в специаль-
ных установках путем извлечения ее из дымовых газов, образу-
370
ющихся при сжигании топлива, из гаЭов брожения в спиртовой
промышленности и газов, получающихся при обжиге известняка.
Углекислоту транспортируют в жидком состоянии в стальных
баллонах или изотермических емкостях. В стальных баллонах
углекислота находится под давлением до 50 ат, откуда отбирается
в газообразном состоянии. Баллоны должны соответствовать тре-
бованиям ГОСТ 949—57, быть окрашенными в черный цвет с над-
писью «СО 2 сварочный», нанесенной желтой масляной краской.
В обычный стандартный баллон емкостью 40 л заливают 25 кг
углекислоты, при испарении которой образуется 12 600 л газа.
Углекислота поставляется по ГОСТ 8050—64 (углекислый газ
сжиженный) четырех сортов (табл. 7-43)
В углекислом газе не должны содержаться минеральные
масла, глицерин, сероводород, соляная, серная и азотная кислоты,
спирты, эфиры, органические кислоты и аммиак. В баллонах
со сварочной углекислотой, кроме того, не должно быть воды.
Ввиду дефицитности сварочной углекислоты I сорта для сварки
находит применение сварочная углекислота II сорта и пищевая.
Повышенное содержание водяных паров в такой углекислоте
может при сварке привести к образованию пор в швах и снизить
пластические свойства сварного соединения.
Влажность газа повышается в начале и конце отбора газа
из баллона, поэтому в этих случаях чаще всего появляются де-
фекты в швах. Чтобы снизить содержание влаги в поступающем
на сварку углекислом газе до безопасного уровня, на его пути
устанавливают осушитель. Для улавливания влаги осушитель
заполнен хлористым кальцием, силикагелем или другими поглоти-
телями влаги.
При выпуске газа из баллона вследствие эффекта дроссели-
рования и поглощения теплоты при испарении жидкой угле-
кислоты газ значительно охлаждается. При интенсивном отборе
газа возможна закупорка редуктора замерзшей влагой, содержа-
щейся в углекислоте, а также сухим льдом. Во избежание этого
рекомендуется подогревать выходящий из баллона углекислый
газ.
Для сварки может быть применена и твердая двуокись угле-
рода (сухой лед), поставляемая по ГОСТ 12162—66 двух марок —
пищевая и техническая По содержанию примесей пищевая дву-
окись углерода соответствует требованиям, предъявляемым к жид-
кой сварочной углекислоте, тогда как техническая двуокись
углерода загрязнена минеральными маслами. Сухой лед выраба-
тывают в виде блоков цилиндрической или прямоугольной формы.
В последние годы находит промышленное применение при
сварке низкоуглеродистых и низколегированных конструкцион-
ных сталей газовая смесь углекислого газа с кислородом (СО2 +
+ О2). В Советском Союзе применяют смесь, содержащую 30 об. %
кислорода, в Японии — смесь с меньшим количеством кислорода
(не более 20 об %) Смесь СО2 + О2 оказывает более интенсивное
24*	371
Таблица 7-45
Состав углекислоты, об %
Содержание	Сорт			
	Сварочная, I сорт	Сварочная, II сорт	Пищевая	Техни- ческая
СО2 (не менее) СО (не более) Водяных паров при 760 мм рт ст и 20° С (не более), 1 /м3	99,5 0 0,178	99,0 0 0,515	98,5 0 Не про	98,0 0,05 иеряется
окисляющее действие на жидкий металл, чем чистый углекислый
газ. Благодаря этому повышается жидкотекучесть металла, что
улучшает формирование шва и снижает привариваемость капель
металла к поверхности изделия. Кроме того, кислород дешевле
углекислого газа, что делает смесь экономически выгодной.
Смесь СО 2 + 30% О 2 изготовляют из чистых углекислого газа
и кислорода с помощью специальных смесителей.
Кислород входит в состав газовых смесей СО2 + О2 и Аг + О2.
Это бесцветный газ без запаха, поддерживает горение. Газообраз-
ный кислород получают из атмосферного воздуха путем глубокого
охлаждения или в результате электролиза воды. Кислород газо-
образный технический и медицинский поставляют по ГОСТ
5583—68. В зависимости от содержания кислорода и примесей
технический газообразный кислород изготовляют трех сортов.
Содержание кислорода в первом сорте должно быть не менее
99,7 об.%, во втором — не менее 99,5 об.% и в третьем — не ме-
нее 99,2 об.%.
Содержание паров воды в техническом кислороде всех трех
сортов не должно превышать 0,005 г/м3, что соответствует точке
росы — 63° С. Технический газообразный кислород, получаемый
электролизом воды, не должен содержать более 0,7 об. % водорода.
Газообразный кислород поставляют в стальных баллонах под
давлением 150 или 200 кгс/см2. Баллоны должны соответствовать
требованиям ГОСТ 949—57, быть окрашенными в синий цвет
с надписью «Кислород», нанесенной черной краской. На баллонах
с кислородом, полученным электролизом воды, должна быть над-
пись «Кислород электролизный».
Водород применяется при атомно-водородной сварке. Водород
не имеет цвета, запаха и является горючим газом. Ввиду того,
что смеси водорода с воздухом или кислородом взрывоопасны,
при работе с ним необходимо соблюдать правила пожарной без-
опасности и специальные правила техники безопасности. В зави-
симости от способа получения технический водород выпускают
четырех марок: А, Б, В и Г.
Наиболее чистым является технический водород марки А,
полученный электролизом воды. Содержание водорода в нем
372
должно быть не менее 99%, остальное в основном кислород. Тех-
нический водород поставляют в стальных баллонах при давлении
до 150 ат, резино-тканевых газгольдерах и почтрубопроводам.
Баллоны с водородом окрашены в темно-зеленый цвет с тремя
красными полосами по окружности.
Азот — бесцветный газ, без запаха, не горит и не поддерживает
горение. Азот не растворяется в расплавленной меди и не взаимо-
действует с ней, а поэтому может быть использован при сварке
меди в качестве защитного газа. Согласно ГОСТ 9293—59, азот
поставляют четырех сортов: газообразный электровакуумный,
газообразный 1-го сорта, газообразный 2-го сорта и жидкий.
Содержание азота в этих сортах должно быть соответственно не
менее об. %: 99,9; 99,5; 99 и 96. Главной примесью является
кислород.
Азот получают из атмосферного воздуха путем его сжижения
и ректификации. Газообразный азот транспортируют в стальных
баллонах под давлением до 150 ат. Баллоны окрашены в серый
цвет с коричневой полосой и надписью желтыми буквами «Азот»
на верхней цилиндрической части. Жидкий азот перевозят
в металлических сосудах Дьюара и в транспортных емкостях.
При нормальных условиях (давление 760 мм рт. ст. и темпера-
тура 20° С) 1 кг жидкого азота соответствует 0,86 м3 газообраз-
ного азота.