СВАРКА, РЕЗКА И ПАЙКА МЕТАЛЛОВ

ДУГОВАЯ СВАРКА В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ. АТОМНОВОДОРОДНАЯ И АРГОНОДУГОВАЯ СВАРКА

В процессе дуговой сварки происходит энергичное взаимодей­ствие расплавленного металла с кислородом и азотом атмосфер­ного воздуха; при отсутствии специальных защитных мер химиче­ский состав и механические свойства наплавленного металла резко ухудшаются. Это было замечено уже давно, при самом изобрете­нии дуговой электросварки, и с тех пор непрерывно разрабаты­ваются способы и приёмы защиты расплавленного металла от воз­действия атмосферного воздуха. Предлагаемые способы можно раз­делить на две большие группы: 1) создание защитной газовой ат­мосферы вокруг дуги и зоны сварки, 2) создание шлаковой зашиты

сварочной ванны. Применяется также и комбинированное исполь­зование обоих способов.

При газовой защите процесс сварки происходит в атмосфере газа, менее вредного, чем воздух. Шлаковая защита воспроизво­дит в миниатюре процесс выплавки стали в металлургических пе­чах, в которых помимо защитного действия шлака могут быть осу­ществлены раскисление металла и легирование его полезными при­садками. В ходе развития преобладающее значение получила шла­ковая защита сварочной ванны, весьма совершенно воплощённая в качественных электродных обмазках и в особенности в способе

дуговой сварки под флюсом. Газовая защита в её чистом виде, несмотря на многочисленные работы, произведённые в этом направ­лении, не дала пока больших результатов и нашла промышленное применение лишь в довольно ограниченных пределах. Способ газо­вой защиты (фиг. 80, а и б) заключается в том, что в зону дуги 1 непрерывно подаётся струя защитного газа 2. Таким газом могут служить различные газы, обладающие восстановительными свой­ствами по отношению к окислам железа и других металлов, при­меняемых в технике, например водород, метан, окись углерода и т. д., а также смеси таких газов. Применение защитных газов восстановительного характера по схеме, приведённой на фиг. 80, не имеет в настоящее время заметного промышленного значения.

Более жизненным оказался особый вид сварки в защитных га­зах, так называемая атомноводородная сварка. Схема этого спо­соба показана на фиг. 81. Дуга переменного тока зажигается между двумя вольфрамовыми электродами, вдоль каждого из элек­тродов в зону дуги подаётся струя водорода. Атомноводородная сварка использует косвенное действие дугового разряда; основной металл не включается в сварочную цепь и не является электродом дуги. Концы вольфрамовых электродов слегка оплавляются, но плавление при нормальных режимах сварки не получает развития, и вследствие постепенного испарения вольфрам расходуется очень медленно. Столб дуги резко изогнут как под действием магнитного
поля, создаваемого электродами с током, так и под механическим воздействием водородной струи. К столбу примыкает хорошо раз­витый ослепительно яркий ореол в форме плоского диска. В столбе и пламени атомноводородной дуги происходит диссоциация молеку­лярного двухатомного водорода в одноатомный по уравнению Н2 = 2Н.

Эта реакция является эндотермической и связана с поглоще­нием значительного количества тепла. Для осуществления диссоциа­ции одного моля водорода нужно затратить 100 тысяч калорий. Степень диссоциа­ции водорода при нагрева­нии зависит от температуры и быстро возрастает с её повьг шением. Диссоциированный водород является, таким об­разом, носителем значитель­ного количества энергии. При понижении температуры ато­марный водород снова пре­вращается в обычный моле­кулярный двухатомный газ,

отдавая при этом тепло, за - і------------------------------------------------------------- '

траченное на диссоциацию, )

по уравнению: Н + Н = Н2+ ]___________________________________

+ 100000 KdJljМОЛ. фиг gi Атомноводородная сварка.

Процесс молизации ато­марного водорода особенно интенсивно идёт на поверхности метал­лов, оказывающих каталитическое действие на эту реакцию. Таким образом, если ввести в пламя атомного водорода металлическую пла­стинку, то на её поверхности будет интенсивно происходить процесс молизации водорода с отдачей значительного количества тепла металлу, что вызовет быстрое его расплавление с образованием сва­рочной ванны. Процесс молизации атомного водорода можно назвать горением, и можно говорить о пламени атомного водорода, причём реакция горения состоит в переходе одноатомного водорода в двух­атомный. По измерениям и теоретическим расчётам температура сва­рочного атомноводородного пламени составляет около 3700°, что значительно выше температуры любого другого газового пламени, на­пример, для ацетилено-кислородного пламени максимальная тем­пература составляет 3200°.

По характеру процесса атомноводородную сварку правильнее отнести к группе газовой сварки. Электрическая энергия в дуге создаёт атомный водород, который, сгорая, образует атомново­дородное пламя, расплавляющее металл. Нагревание водорода происходит, главным образом, за счёт столба дуги, которому стараются придать значительную длину, поэтому напряжение дуги при атомноводородной сварке обычно составляет от 70 до 150 в, в среднем 100 в. Переменный ток применяется для уменьшения
расхода электродов и получения более симметричной формы дуги. Ввиду значительного напряжения атомноводородной дуги для пи­тания её применяются специальные сварочные трансформаторы с повышенным напряжением холостого хода, обычно около 300 в и специальными устройствами для защиты сварщика от по­ражения током. Атомноводородная горелка показана на фиг. 82.

Вольфрамовые электроды применяются диаметром от 1,5 до 4 мм, сварочные токи от 10 до 70 а. Защитным газом обычно слу­жит технически чистый водород, однако могут применяться и неко­торые смеси, богатые водородом, Например продукт диссоциации ам­миака 2NH3 = N2-t-3H2, азотноводородная смесь, состоящая из 75% водорода и 25% азота. В присутствии водорода не происходит за­метного азотирования металла. Газ, богатый водородом, может по­

лучаться также расщеплением (крекированием) керосина или других нефтепродуктов. Крекирование аммиака или нефтепро­дуктов производится в небольших передвижных аппаратах — кре­керах с электрическим обогревом. Расход водорода при сварке ра­вен от 1 до 3 м3/час.

По величине зоны влияния и возникающих деформаций атомно­водородная сварка занимает промежуточное положение между га­зовой и дуговой сваркой. Водород хорошо защищает металл от окисления, но в то же время при высокой температуре дуги он довольно легко соединяется с углеродом стали, образуя газообраз­ные углеводороды, в результате чего содержание углерода в на­плавленном металле может значительно снижаться, несмотря на> хорошую защиту от окисления. Главная область применения атом­новодородной сварки — специальные легированные конструкцион­ные стали, а также алюминий и его сплавы. При сварке алюминия необходимо применять флюс, так как водород не восстанавливает окись алюминия. Применение атомноводородной сварки может быть технически и экономически целесообразным лишь на материале ма­лых толщин, примерно от 1 до 5 мм.

В последние годы началось применение при дуговой сварке за­щитных инертных газов нулевой группы периодической системы элементов. Промышленное применение получили из газов этой группы гелий и аргон. Как известно, газы нулевой группы химиче­

ски совершенно инертны и не вступают ни г. какие химиче­ские реакции ни с какими веществами. Способ дуговой сварки в инертном газе показан на фиг. 83. Сварочная дуга зажигается между вольфрамовым электродом и основным металлом, защит­ный газ подаётся по мундштуку, охватывающему электрод (фиг. 80,6).

В нашей промышленности применяется исключительно аргон; гелий слишком дорог, дефицитен и, как показали опыты, не даёт заметных преимуществ по сравнению с аргоном. Аргон содержится в атмосферном воздухе в количестве около 1% по объёму и может

производиться на кислородных заводах. Дуга в аргоне отличается очень низким напряжением, порядка 10—12 в. Питание дуги может осуществляться как постоянным, так и переменным током. Для об­легчения зажигания дуги иногда применяются осцилляторы.

Опыт применения аргонодуговон сварки показал, что отличные результаты даёт сварка легированных сталей, в том числе нержа­веющих и жароупорных, хорошие результаты даёт сварка алюми­ния и его сплавов, магниевых сплавов, причём в этом случае можно обходиться без флюсов, что является крупным техническим преиму­ществом. Аргонодуговая сварка пользуется дугой прямого действия, что обеспечивает минимальную ширину зоны влияния и минималь­ное коробление. Аргонодуговая сварка нормально применяется для толщин металла не свыше 5 мм. Ручная сварка ведётся на токах 30—100 а; расход аргона равен 200—300 л! час.

Работа электросварщика сопряжена с рядом возможных вред - ;яых и опасных воздействий на его организм. Для ослабления и устранения вредностей и опасностей, связанных с выполнением про­цесса дуговой электросварки, необходимо строгое выполнение уста­новленных правил охраны труда и техники безопасности.

Наибольшее влияние на сварщика и всех лиц, находящихся в зоне выполнения электросварочных работ, оказывает излучение сва­рочной дуги.

Сварочная дуга является источником излучений с различной длиной волны: видимых световых, ультрафиолетовых и инфракрас­ных. Сварочная дуга имеет яркость видимого излучения, неперено­симую для человеческого глаза, к которой он не может приспосо­биться. Частые перерывы в горении дуги создают резкие контрасты освещённости.

Для ослабления светового потока и смягчения контрастов осве­щённости применяется густо окрашенное защитное стекло, через которое сварщик наблюдает за процессом сварки. Мощное ультра­фиолетовое излучение дуги вызывает болезненно протекающее вос­паление глаз (электроофтальмия) и при продолжительном действии вызывает ожоги кожи. Защитное стекло должно полностью задер­живать ультрафиолетовые лучи; все части тела, не закрытые одеж­дой, должны защищаться от излучений дуги. Лицо и шея должны быть защищены щитком или шлемом-маской, кисти рук — рукави­цами. Защитное стекло должно в достаточной степени поглощать и инфракрасные лучи, могущие вызывать при длительном воздей­ствии снижение остроты зрения.

Современные специальные защитные стёкла, производимые в Советском Союзе, полностью гарантируют сохранность зрения сварщика и обеспечивают достаточную видимость места сварки. Запрещается пользоваться случайными цветными стёклами. Окра­шенное защитное стекло снаружи прикрывается обычным бесцвет­ным стеклом, предохраняющим от брызг металла и периодически сменяемым по мере загрязнения и уменьшения прозрачности. Опас­ность излучений сварочных дуг для окружающих уменьшается ограждением поста сварки кабинами, переносными щитами, занаве­сами и т. п.

Сварочная дуга непрерывно выделяет в окружающую атмосфе­ру газы и дым из мельчайших твёрдых частиц, преимущественно окислов металла. Количество газов и дымовых частиц и степень их вредности для работающих зависят от рода свариваемого ме­талла, состава электродной обмазки, в соответствии с чем и при­меняются вентиляционные и другие устройства для защиты рабо­тающих.

Электросварщик подвергается опасности поражения электриче­ским током, поскольку он почти неизбежно касается токоведущих частей сварочной цепи. Особенно опасна в этом отношении сварка внутри котлов и резервуаров и других объектов, в которых свар­

щик сидит или лежит на металле, и сварка в сырых помещениях, на открытом воздухе в сырую погоду и т. п. Для уменьшения опас­ности поражения током необходимо строго соблюдать правила безо­пасности, надёжно заземлять корпуса сварочных машин и аппара­тов, наблюдать за исправностью электросварочной аппаратуры и изоляции всех частей сварочной установки. В более опасных слу­чаях необходимо применять для сварщика деревянные подмостки, резиновые коврики и т. п., усиливающие изоляцию тела сварщика от земли.