ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

ДУГОВАЯ СВАРКА ПОД ФЛЮСОМ

Широкое применение этого способа в промышленности при про­изводстве конструкций из сталей, цветных металлов и сплавов объясняется высокой производительностью процесса и высоким качеством и стабильностью свойств сварного соединения, улучшен­ными условиями работы, более низким, чем при ручной сварке, расходом сварочных материалов и электроэнергии. К недостаткам способа относится возможность сварки только в нижнем положе­нии ввиду возможного стекания расплавленных флюса и металла при отклонении плоскости шва от горизонтали более чем на 10— 15°.

/Сущность способа. Наиболее широко распространен процесс при использовании одного электрода — однодуговая сварка. Сва­рочная дуга горит между голой электродной проволокой 1 и изде­лием, находящимся иод слоем флюса 3 (рис. 25). В расплавленном флюсе 5 газами и парами флюса и расплавленного металла обра­зуется полость — газовый пузырь 4, в котором существует сва­рочная дуга. Давление газов в газовом пузыре составляет 7— 9 г/см2, но в сочетании с механическим давлением, создаваемым дугой, его достаточно для оттеснения жидкого металла из-под дуги, что улучшает теплопередачу от нее к основному металлу. Повы­шение силы сварочного тока увеличивает механическое давление дуги и глубину проплавления основного металла //гр.

Кристаллизация расплавленного металла сварочной ванны 7 приводит к образованию сварного шва 6. Затвердевший флюс образует шлаковую корку на поверхности шва. Расплавленный флюс, образуя пузырь и покрывая поверхность сварочной ванны, эффективно защищает расплавленный металл от взаимодействий

с воздухом. Металлургиче­ские взаимодействия между расплавленным металлом и шлаком способствуют полу­чению металла шва с требуе­мым химическим составом.

В отличие от ручной ду­говой сварки металлическим электродом при сварке под флюсом, так же как и при сварке в защитных газах, то - коподвод к электродной про­волоке 2 осуществляется на небольшом расстоянии (вылет
электрода) от дуги (до 70 мм). Это позволяет без перегрева электрода использовать повышенные сварочные токи (до 2000 А). Плотность сварочного тока достигает 200—250 А/ым2, в то время как при ручной дуговой сварке не превышает 15 А/мм2. В ре­зультате повышается глубина проплавлспия основного металла и скорость расплавления электродной проволоки, т. е. дости­гается высокая производительность процесса.

Сварку под флюсом можно осуществлять переменным и постоян­ным током. В зависимости от способа перемещения дуги относи­тельно изделия сварка выполняется автоматически и полуавтома­тически. При автоматической сварке подача электродной прово­локи в дугу и перемещение ее осуществляется специальными механизмами. При полуавтоматической сварке дугу перемещает сварщик вручную.

Существуют разновидности сварки под флюсом, когда в неко­торых случаях целесообразно применение двухдуговой или много­дуговой сварки. При этом дуги питаются от одного источника или от отдельного источника для каждой дуги. При сварке сдвоен­ным (расщепленным) электродом (рис. 26, а) дуги, горящие в общую ванну, питаются от одного источника. Это несколько повышает производительность сварки за счет повышения количества рас­плавленного электродного металла.

Электроды по отношению к направлению сварки могут быть расположены последовательно или перпендикулярно. При после-

Ї

I

Рис. 26. Схемы образования шва при сварке:

а — сдвоенным электродом, б — двух­дуговой; в — грехфазной дугой

33

довательном расположении глубина прославления шва несколько увеличивается, а при перпендикулярном (см. рис. 30,6) уменьшается. Второй вариант расположения электродов позволяет выполнять сварку при повышенных зазорах между кромками. Изменяя расстояние между электродами, можно регулировать форму и размеры шва. Удобно применение этого способа при наплавочных работах. Однако недостатком способа является некоторая неста­бильность горения дуги.

При двухдуговой сварке (рис. 26, б) используют два электрода (при многодуговой несколько). Дуги могут гореть в общую или раздельные сварочные ванны (когда металл шва после первой дуги уже полностью закристаллизовался). При горении дуги в раздельные сварочные ванны оба электрода обычно перпенди­кулярны плоскости изделия. Изменяя расстояние между дугами, можно регулировать термический цикл сварки, что важно при сварке закаливающихся сталей.

Эта схема позволяет вести сварку на высоких скоростях, в то время как применение повышенного тока при однодуговой сварке приводит к песплавлениям — подрезам по кромкам шва. При двухдуговой сварке вторая дуга, горящая в отдельную ванну, электродом, наклоненным углом вперед (угол а = 45 60°),

частично переплавляет шов, образованный первой дугой, и обра­зует уширенный валик без подрезов. Для питания дуг с целью уменьшения магнитного дутья лучше использовать разнородный ток (для одной дуги — переменный, для другой — постоянный).

При сварке на переменном токе по схеме на рис. 26, в возникает трехфазная дуга: одна дуга горит между электродами (независи­мая дуга) и две другие — между каждым электродом и изделием. Все дуги горят в одном плавильном пространстве. Регулируя ток в каждой дуге, можно изменять количество расплавляемого электродного металла или проплавление основного металла. В первом случае способ удобен при наплавочных работах и для сварки швов, требующих большого количества наплавленного металла. Недостаток способа — необходимость точного согласо­вания скоростей подачи электродов. Сварку сдеоснным электро­дом, двумя и большим числом электродов выполняют на автоматах.

! Влияние параметров режима сварки на форму и размеры шва. Форма и размеры шва зависят от многих параметров реяшма свар­ки: величины сварочного тока, напряжения дуги, диаметра элект­родной проволоки, скорости сварки и др. Такие параметры, как наклон электрода или изделия, величина вылета электрода, гра­нуляция флюса, род тока и полярность и т. п. оказывают меньшее влияние на форму и размеры шва.

Необходимое условие сварки — поддержание дуги. Для этого скорость подачи электрода должна соответствовать скорости его плавления теплотой дуги. С увеличением силы сварочного тока скорость подачи электрода должна увеличиваться (рис. 27). Электродные ироволоки меньшего диаметра при равной силе
спярочтгого тока следует подавать с большей скоростью. Условно ото можно представить как расплавление одинакового количества електродного металла при равном количестве теплоты, выделяемой в дуге (в действительности количество расплавляемого электрод­ного металла несколько увеличивается с ростом плотности сва­рочного тока). При некотором уменьшении скорости подачи длина дуги и ее напряжение увеличиваются. В результате уменьшаются доля теплоты, идущая на расплавление электрода, и количество расплавляемого электродного металла.

Влияние параметров режима на форму и размеры шва обычно рассматривают при изменении одного из них и сохранении осталь­ных постоянными. Приводимые ниже закономерности относятся к случаю наплавки на пластину, когда глубина проплавления не превышает 0,7 ее толщины (при большей глубине проплавлення ухудшение теплоотвода от нижней части сварочной ванны резко увеличивает глубину проплавления и изменяет форму и размеры шва).

С увеличением силы сварочного тока (рис. 28, а) глубина проплавления возрастает почти линейно до некоторой величины. Это объясняется ростом давления дуги на поверхность сварочной ванны, которым оттесняется расплавленный металл из-под дуги (улучшаются условия теплопередачи от дуги к основному металлу), и увеличением погонной энергии. Ввиду того, что повышается количество расплавляемого электродного металла, увеличивается и высота усиления шва. Ширина шва возрастает незначительно, так как дуга заглубляется в основной металл (находится ниже плоскости основного металла).

Увеличение плотности сварочного тока (уменьшение диаметра электрода при постоянном токе) позволяет резко увеличить глу­бину проплавлення (табл. 1). Это объясняется уменьшением подвижности дуги. Ширина шва при этом уменьшается. Путем уменьшения диаметра электродной проволоки можно получить шов с требуемой глубиной проплавления в случае, если величина максимального сварочного тока, обеспечиваемая источником пи­тания дуги, ограничена. Однако при этом уменьшается коэффи­циент формы провара шва (ф = еІН) и интенсифицируется зональ­ная ликвация в металле шва (рис.

29), располагающаяся в его рабочем сечении. Род и полярность тока ока­зывают значительное влияние на

Рис. 27. Зависимость скорости подачи электродной проволоки от величины сва­рочного тока при различных диаметрах электродной проволоки п напряжениях дуги:

1 — 30—32 В; г — 50—52 В

2*
в

форму и размеры шва, что объясняется различным количеством теплоты, выделяющимся на катоде и аноде дуги.

При сварке на постоянном токе прямой полярности глубина проплавления на 40—50%, а на переменном — на 15—20% меньше, чем при сварке на постоянном токе обратной полярности.

Поэтому швы, в которых требуется небольшое количество электрод­ного металла и большая глубина проплавления (стыковые и угло­вые без разделки кромок), целесообразно выполнять на постоянном токе обратной полярности. При увеличении напряжения дуги (длины дуги) увеличивается ее подвижность и возрастает доля теплоты дуги, расходуемая на расплавление флюса (количество рас­плавленного флюса). При этом растет ширина шва (см. рис. 28, б),

п глубина его проплавления остается практически посто­янной. Этот параметр режи­ма широко используют в практике для регулирования ширины шва.

Увеличение скорости сварки уменьшает погонную анергию и изменяет толщи­ну прослойки расплавлен­ного металла под дугой.

ІІ результате этого основные размеры шва уменьшаются (см. рис. 28, е). Однако в некоторых случаях (сварка тонкими прово­локами на повышенной плотности сварочного тока) увеличение скорости сварки до некоторой величины, уменьшая прослойку расплавленного металла под дугой и теплопередачу от нее к ос­новному металлу, может привести к росту глубины проплавления. При дальнейшем увеличении скорости сварки закономерности изменения размеров шва такие же, как на рис. 28, в. При чрезмерно больших скоростях сварки и силе сварочного тока в швах могут образовываться подрезы.

С увеличением вылета электрода (см. рис. 28, г) возрастает ин­тенсивность его подогрева, а значит, и скорость его плавления. И результате толщина прослойки расплавленного металла под дугой увеличивается и, как следствие этого, уменьшается глубина проплавления. Этот эффект иногда используют при сварке элек­тродными проволоками диаметром 1—3 мм для увеличения коли­чества расплавляемого электродного металла при сварке швов, образуемых в основном за счет добавочного металла (способ сварки с увеличенным вылетом электрода).

В некоторых случаях, особенно при автоматической наплавке, электроду сообщают колебания поперек направления шва (рис. 30, а) с различной амплитудой и частотой, что позволяет в широких пределах изменять форму и размеры шва. При сварке с поперечны­ми колебаниями электрода глубина проплавления и высота уси­ления уменьшаются, а ширина шва увеличивается и обычно несколько больше амплитуды колебаний. Этот способ удобен для предупреждения прожогов при сварке стыковых соединений с повышенным зазором в стыке или уменьшенным притуплением кромок. Подобный же эффект на­блюдается при сварке сдвоенным электродом (рис. 30, б и 26, а), когда электроды расположены по­перек направления сварки. При их последовательном расположе­нии глубина проплавления, на­оборот, возрастает.

Состав и строение частиц флюса оказывают заметное влияние на форму и размеры шва. При уменьшении насыпной массы флюса (пемзовидные флюсы) повышается газопроницаемость слоя флюса над сварочной ванной и, как результат этого, уменьшается давле­ние в газовом пузыре дуги. Это приводит к увеличению толщины прослойки расплавленного металла под дугой, а значит, и к умень­шению глубины проплавления. Флюсы с низкими стабилизи­рующими свойствами, как правило, способствуют более глубокому проплавлению.

Пространственное положение электрода и изделия (см. рис. 13) при сварке под флюсом оказывает такое же влияние на форму и размеры шва, как и при ручной сварке. Для предупреждения стенания расплавленного флюса, ввиду его высокой жидкотеку - чести, сварка этим способом возможна только в нижнем положе­нии при наклоне изделия на угол не более 10—15°. Изменение формы и размеров шва наклоном изделия находит практическое применение только при сварке кольцевых стыков труб ввиду сложности установки листовых конструкций в наклонное поло­жение. Сварка с наклоном электрода находит применение для повышения скорости многодуговой сварки. Подогрев основного металла до температуры 100 °С и выше приводит к увеличению глубины провара и ширины шва.

' Техника автоматической сварки. Перед началом автоматичес­кой сварки следует проверить чистоту кромок и правильность их сборки и направления электрода по оси шва. Металл повышенной толщины сваривают многопроходными швами с необходимым сме­щением электрода с оси шва. Перед наложением последующего шва поверхность предыдущего тщательно зачищают от шлака и осмат­ривают с целью выявления наличия в нем наружных дефектов.

В начале сварки, когда основной металл еще не прогрелся, глубина его проплавления уменьшена, в связи с чем эту часть шва обычно выводят на входную планку. По окончании сварки в месте кратера образуется ослабленный шов, поэтому процесс сварки заканчивают на выводной планке. Входную и выводную планки шириной до 150 мм и длиной (в зависимости от режима и толщины металла) до 250 мм закрепляют на прихватках до на­чала сварки. После сварки планки удаляют.

При автоматической сварке стыковых соединений на весу (см. рис. 10, а) практически сложно получить шов с проваром по всей длине стыка из-за вытекания в зазор между кромками расплав­ленного металла и флюса и, как результат, — образования про­жогов. Для предупреждения этого применяют различные приемы, способствующие формированию корня шва. Сварку односторонних швов можно выполнять по предварительной ручной подварке (см. рис. 16, г), если невозможна автоматическая. Односторонняя сварка на остающейся стальной подкладке (см. рис. 16, в) возможна в тех случаях, когда допустимо ее применение с эксплуатационной точки зрения.

Толщина подкладки при однослойных швах составляет 30— /«0% толщины основного металла или равна толщине первого слоя в многослойных швах. При использовании для сварки одно - г горонних швов съемных медных подкладок (см. рис. 10, б) качество шва зависит от надежности поджатия к ним кромок. При зазорах евшие 0,5 мм расплавленный металл может вытекать в него, что приводит к образованию дефектов в шве. Недостаток этого спо­соба — трудность точной укладки кромок длинного стыка вдоль формирующей канавки неподвижной медной иодкладки.

Разновидность этого способа — сварка па медной скользящей подкладке (ползуне) по повышенному зазору. В этот зазор про­ходит нож, верхней частью прикрепленный к сварочному трактору специальной конструкции. На нижнем конце ножа закреплен скользящий ползун. Недостаток этого варианта— необходимость поддержания постоянного по величине зазора по всей длине шва. Возможен способ, когда медная подкладка в виде отдельных звеньев не соединена со сварочным трактором и перемещается синхронно с ним от отдельного привода. Но эго очень усложняет конструкцию стенда и процесс сварки.

Для улучшения формирования корня шва в увеличенную по глубине формирующую канавку в медной подкладке можно засыпать флюс — так выполняют сварку на флюсомедной под­кладке. Односторонняя сварка на флюсовой подушке (рис. 31) при плотном поджатип флюса обеспечивает полный провар кромок н хорошее формирование корня шва при меньшей точности сборки кромок толщиной 2 мм и выше. Флюс бод стыком поджимается воздухом, подаваемым в шланг 3, а при сварке кольцевых швов — специальной гибкой лентой 5. Свариваемые листы от перекоса при ноджатии флюса должны удерживаться специальными гру­зами или силами магнитного поля на специальных магнитных стендах.

Формирование корня шва на флюсовой подушке позволяет выполнять автоматическую сварку однопроходных швов без разделки или с V-образпой разделкой кромок на металле толщиной до 15 мм, корневого шва в многопроходных швах с V - или Х-образ - пой разделкой кромок, а также сварку по заданному повышен­ному зазору без разделки кромок металла толщиной до 50 мм. При­ме пение этого способа в последние годы сокращается из-за труд - иости плотного поджтия флюса под стык по всей его длине. В мес­тах его неплотного поджатия образуются прожоги.

В заграничной практике для сварки односторонних швов находят применение переносные подкладки. По существу они представляют собой легкий лоток, изготовленный из стали или другого металла, в котором находится формирующая подкладка из твердого флюса. Подкладка может быть двухслойной: верхний слой флюса обеспечивает формирование поверхности обратной сто­роны шва, а нижний, тугоплавкий, предупреждает получение шва с чрезмерной высотой обратного валика.

Подкладки устанавливают па прихватках, липких лентах, с помощью клиньев, струбцин, магнитов и т. д. Возможно также использование подкладок из синтетических термостойких лент, плотно поджимаемых под стыком свариваемых кромок. Установка подобных подкладок достаточно трудоемка и требует доступа к сварному соединению с обратной стороны или последующей кантовки изделия. Обычно они одноразового пользования ввиду разрушения под действием теплоты расплавленного металла.

В односторонних швах не всегда обеспечивается хорошее формирование корня шва. Поэтому в ответственных конструкциях применяют сварку с двух сторон. При этом первые валики в корне швов должны перекрывать друг друга на толщину 2—5 мм. При повышенных зазорах для предупреждения протекания расплав­ленного металла в зазор между кромками также используются флюсовые подушки и медные съемные подкладки. Однако лучшие результаты достигаются при предварительной ручной подварке корня шва и последующей сварке с обратной стороны швов. После кантовки изделия при первом основном проходе подвароч - ный шов следует полностью переваривать. Подварочный шов часто служит сборочным вместо прихваток.

В зависимости от площади поперечного сечения шва и положения сварки угловые соединения можно выполнять без скоса или со скосом одной из кромок одно - и многослойными швами. Полный провар стыка без скоса кромок можно получить при толщине стенки в тавровом соединении не более 14 мм. Сварку угловых швов выполняют в положении «в лодочку» или наклонным электродом (рис. 32).

При положении «в лодочку» в один проход можно сваривать швы с катетом до 14 мм, наклонным электродом — до 6 мм. Соеди­ненно под сварку следует собирать с минимальным зазором для предупреждения вытекания в него расплавленного металла. При зазоре свыше 1,6 мм с обратной стороны первого шва необходима ручная или механизированная подварка. Подварочный шов дол­жен быть полностью переварен при наложении основных швов. В практике применяют также заделку зазора с обратной стороны асбестовым шнуром, который впоследствии удаляют. В некоторых тинах сварных соединений возможно применение медных иод - кладок (рис. 32, ё).

г) д) е)

Рис. 32. Автоматическая сварка под флюсом угловых швов

Подобпые же приемы применяют и при сварке наклонным электродом при зазоре в стыке свыше 2,5 мм. Для обеспечения полного провара стыка кромок сварку можно выполнять в несим­метричную «лодочку» (рис. 32, а), когда угол между электродом и полкой тавра уменьшается до 30°. Этот же прием используют яри различной толщине свариваемых элементов, когда уменьша­ется угол между электродом и более тонким элементом. При сварке тавровых соединений наклонным электродом трудно избе­жать подреза на вертикальной стенке соединения. Для предупреж­дения этого электрод смещают на полку (рис. 32, б, в). Последо­вательность сварки многопроходных швов указана на рис. 32, г. Пахлесточные соединения при толщине верхнего листа до 8 мм сваривают вертикальным электродом с оплавлением верхней кром­ки (рис. 32, д).

Техника полуавтоматической сварки. Автоматическая сварка целесообразна в массовом и серийном производстве изделий с достаточно длинными, прямолинейными и круговыми швами. Однако на практике встречается много изделий с криволинейными швами или швами небольшой протяженности. В этих случаях целесообразно применять полуавтоматическую сварку, которая более мобильна.

Для полуавтоматической сварки под флюсом используют шланговый полуавтомат типа ПШ-5 с универсальным держателем ДШ-6. Металл толщиной 2—30 мм, а иногда и более сваривают со скосом или без скоса кромок, одно - и двусторонними стыковыми, одно - или многопроходными угловыми швами. Можно выполнять сварку прорезных швов, швов в нахлесточных соединениях со сквозным проилавлением верхнего листа и электрозаклепок

Рис. 34. Улсктрозаклепки, выиолнешшс через отверстие в порхнем листе (а) и с проплавлением верхнего листа (б). Сварка с проплавле­нием (в) и оплавлением (г) кромок верхнего листа

автоматической сварке. Удобно использовать полуавтоматы для сварки прерывистых швов.

Процесс сварки начинается обычным способом. В конце шва перемещение держателя задерживается для заварки кратера, а затем быстрым движением перемещается на начало следующего шва без выключения сварочного тока и подачи электродной про - вол оке. Наиболее удобно этим способом сваривать угловые швы в тавровых соединениях.

В практике находят применение соединения, выполненные электрозаклепками. Обычно это нахлссточные соединения, в кото­рых при толщине верхнего листа 3— 4 мм сварку ведут с его про­плавлением (рис. 34, б). При большой толщине верхнего листа (до 10 мм) в нем предварительно пробивают отверстие (рис. 34, а), диаметр которого на 4—5 мм больше диаметра электродной про­волоки. Диаметр электрозаклепки равен двум-четырем толщинам верхнего листа. Зазор между деталями но должен превышать 1 мм. При небольшой толщине нижнего листа сварку для предупрежде­ния прожога выполняют па медной подкладке (рис. 34, б).

Электрозаклепку можно выполнять с использованием специаль­ных электрозаклепочников или шланговых полуавтоматов. При использовании электрозаклепочников в процессе горения электрод диаметром 4—6 мм обычно не подается в дугу. Перед началом сварки электрод рабочим концом (иногда через стальную стружку для облегчения возбуждения дуги) закорачивается па изделие и засыпается флюсом. Вместо флюса можно использовать специаль­ные флюсовые шайбы (смесь из 90% мел­комолотого флюса и 10% жидкого стекла).

После включения сварочного тока и воз­буждения дуги она горит до естественно­го обрыва. После зачистки конца элект­рода от колпачка застывшего шлака мо - жно сваривать следующую электрозак­лепку.

При использовании шланговых полу­автоматов применяют электродную про­волоку диаметром 1,6—2 мм. Сварку вы­полняют с подачей в дугу электродной проволоки. Сварка электрозаклепками на полуавтоматах может быть использована

для выполнения точеч­ных угловых швов при толщине свариваемых деталей до С мм. Швы, показанные на рис. 34, в, выполняют авто­матической сваркой при толщине верхних лис­тов до 12 мм. Их каче­ство определяется плот­ностью поджатая дета­лей. По существу этот способ представляет со­бой сварку на остаю­щейся подкладке.

Для приварки шпи­лек используют специ­альные установки и флюсовые шайбы (рис. 35) высотой 6—10 мм и наружным диаметром 15—20 мм. При диаметре шпильки более 8 мм для облегчения возбуждения дуги привариваемый конец затачивают на конус с углом 90°. При приварке шпилек в верти­кальном и потолочном положениях силу сварочного тока выби­рают на 25—30% меньше, чем при сварке в нижнем положении. Процесс несколько напоминает сварку электрозаклепок. После обрыва дуги и образования достаточной сварочной ванны шпиль­ку быстро до упора подают оплавленным концом.

Сварку стыков труб под флюсом выполняют только автомати­чески при нижнем положении шва. Из-за сложности удержания от вытекания из сварочной ванны расплавленных шлака и металла трубы диаметром менее 150 мм этим способом обычно не сваривают. С этой же целью электрод смещают с зенита стыка в зависимости от диаметра труб навстречу их вращению (табл. 2). Для удержания флюса от ссыпания применяют специальные флюсоудерживающие приспособления. Так как на весу под флюсом проварить корень шва практически невозможно, первый слой обычно сваривают вручную покрытыми электродами или механизированно в угле­кислом газе.