ОСНОВЫ СВАРКИ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

СПОСОБЫ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

Термическая сварка (II. II. Бекетов, 1865 г.) основана на восста­новлении металла из окисла с помощью другого, химически актив­ного металла. Для сварки обычно используют смесь порошков окис­лов железа (окалины) и алюминия. Смесь поджигается, и начинается реакция с выделением теплоты:

3FeO/( +8AI = 4AI,0:i +9Fe + Q.

При сгорании 1 кг смеси выделяется 3100 кДж теплоты (экзотер­мическая реакция), которая нагревает восстановленное железо выше Г (до 2200...2400 °С). Принципиальная схема варианта сварки плав­лением показана на рис. 2.10.

1 ісрмиїиьиї присадочный маїсриа. і; 2 - ((юрма; У — и. чдс. ніс; І - отерпне ддя ііродиаригс її. ного подої рсна

Расплавленный в тигле перегретый металл поступает в зазор за - формованных деталей и, подплавляя их кромки, образует соедине­ние. В настоящее время способ наиболее широко применяется для сварки рельс (трамвайных). Однако п ряде случаев может быть ис­пользован и для других целей (например, для сварки тросон, электро­проводящих шин и нан. тавкп).

При газовой (ацетилена-кислородной) сварке теплота, идущая на нагрев и расплавление металла, получается за счет экзотермичес­кой реакции сгорания ацетилена в кислороде:

2С, Н,+:Ю2=1С(),+2Н,()+Л2()00 Дж/;

Для сварки пспользукяся специальные горелки, у которых в сме­сительной камере происходит смешивание кислорода и ацетилена, подаваемых туда в регулируемых количествах. Из мундштука горел­ки (рис. 2.11) истекает смесь, которая после гюджига образует пламя, имеющее по своей оси определенное температурное распределение. Максимальное значение температуры в средней части пламени (его ядра) достигает 3200 °С, что достаточно для проведения с металлом различных технологических операций.

Химический состав пламени и его воздействие на расплавленный металл зависят от соотношения в нем О,/С, 11,. Так, при (),'С, И,> 1 пламя называют окислительным, здесь в средней зоне появляется свободный О, п СО,, смесь теряет своп восстановительные свойства.

При 0,/С, Н,< 1 в средней зоне пламени может образовываться сво­бодный углерод, что в ряде случаев может приводить к науглерожи­ванию металла шва н появлению в нем трещин. Это восстановитель­ное или науглероживающее пламя. При (),/С, Н,= 1 пламя называют нейтральным.

При сварке этим способом из-за специфики пламени распределе­ние теплоты в металле (широкая полоса нагрева и длительное пребы­вание металла в районе температур 1100...1500 °С) приводит к повы­шенным сварочным деформациям и появлению крупнозернистой структуры перегрева металла в зоне рядом со швом.

Пламенем газовой горелки могут осуществляться следующие тех­нологические процессы:

• соединительные (сварка, пайка);

• разделительные (резка):

• напыление поверхностных слоев - металлизация;

• технологические нагревы (закалка, правка, строжка).

Наиболее широкое распространение получили сварка и раздели­тельная резка.

При газовой сварке мощность газового пламени выбирают в зави­симости от марки свариваемого материал и его толщины. Мощность зависит от количества подаваемого горючего и регулируется диамет­ром внутреннего канала наконечника (его номером).

Примерный расход ацетилена на 1 мм толщины металла составляет:

• для сварки малоуглеродистой стали 100... 150 л/ч;

• для сварки меди 150...200 л/ч;

• для сварки алюминия 75...100 л/ч,

Регулировка пламени (0.,/С, Н.,):

• для сварки стали - 1,15;

• для сварки меди и алюминия - 1,05;

• для сварки латуни - 1,3.,,1,4

При газовой сварке часто используют флюсы, которые предназна­чаются для очистки поверхности металла от окислений (особенно это относится к металлам с большим сродством к кислороду). Флю­сы (в зависимости от их состава) могут либо химически связывать окислы, либо физически растворять их в шлаке,

Небольшая мощность газового пламени и невысокая его температу­ра, возможность регулирования интенсивности нагрева делают его ра­циональным для сварки относительно малых толщин и сечений, обычно это 2,0 мм п ниже (вентиляционные трубы, тонкостенные сосуды, лег­кие выгородки, дельные вещи, трубы и пр.). Широкая зона нагрева способствует применению этого способа для сварки цветных метал­

лов (меди, алюминия п их сплавов), обладающих высокой теплопро­водностью. Эти же своііства талового пламени способствуют приме­нению его для других технологических надобностей. Одними из них являются технологические нагревы для правки деформированных при сварке тонколистовых конструкций. Процесс заключается в на­гревах (пятнами или полосами) определенных мест деформирован­ной конструкции в интервале температур 400,,.800 °С. Возникающие при нагреве пластические деформации металла приводят при даль­нейшем его охлаждении к укорочению нагретых участков и возник­новению в них растягивающих напряжений. Технология правки зак­лючается в быстром концентрированном нагреве заранее выбранных мест конструкции; часто после нагрева требуется быстрое охлажде­ние, которое осуществляют водой. К недостаткам способа относится трудность контроля температур нагрева и возможность подплавле - ния нагреваемой поверхности ядром пламени (что особенно недопу­стимо для сталей повышенной прочности), В случае невозможности общей термической обработки (большие габариты конструкции) иногда проводят местную термообработку сварных швов, осуществ­ляя нагрев сварных соединений пламенем газовой горелки,

Большое распространение получила кислородная резка (в на­стоящее время она вытесняется плазменной резкой). При этом спо­собе разделение металла основано на его нагреве до температуры воспламенения теплотой газового пламени и последующей экзо­термической реакцией окисления металла с удалением образовав­шихся окислов кинетической энергией струи режущего кислоро­да, На поверхности реза остаются линии, так называемые отставания, представляющие собой чередующиеся выступы и впадины глубиной в десятые доли миллиметра, Для резки применяются специальные горелки (резаки), конструкция которых отличается от газовых горе­лок, применяемых для сварки, тем, что сопло их, кроме цилиндри­ческого кольцевого канала подачи ацетилено-кислородной смеси для образования подогревающего пламени, имеет центральное отверстие для подачи так называемого режущего кислорода.

При резке сначала поджигают смесь и производят подогрев места начала резки, затем включают режущий кислород и производят рез­ку, которая идет за счет сгорания металла в месте подогрева. Резка может производиться как вручную, так н на специальных машинах с цифровым или программным управлением.

Кислородной резке хорошо подвергаются стали перлитного клас­са н титановые сплавы. У этих металлов температура плавления выше температуры интенсивного окисления в кислороде. Образующиеся на кромках окислы при резке сталей (при выполнении разделки кро­мок под сварку) .зачищаются металлической щеткой. Детали из тита­нового сплава, подготовленные под сварку кислородной резкой, дол­жны подвергаться дополнительной механической обработке. Это связано с высокой! химической активностью титана и образованием при кислородной резке на торцах кромок реза слоя, насыщенного кис­лородом (его глубина составляет 1,0... 1,5 мм), Этот слой имеет высо­кую твердость и покрыт мелкими трещинами. Кислородная резка широко применяется для вырезки деталей из материала толщиной

4,0. ,.40,0 мм. При резке листового материала (особенно малых и сред­них толщин) возникают тепловые деформации, искажающие задан­ные размеры детали и уменьшающие точность вырезанных деталей.

Электродуговая сварка плавлением.

Ручная дуговая сварка металлическим электродом с покрытием. Сварочная дуга является одним из самых распространенных и универ­сальных источников теплоты. Ручная сварка покрытым электродом широко распространена в промышленности - несмотря на достаточно невысокую производительность, она обладает рядом несомненных пре­имуществ (универсальность, возможность выполнения швов в труд­нодоступных местах, различных пространственных положениях и т. д.). Схема процесса приведена на рис. 2.12.

Источник сварочного (постоянного или переменного) тока под­ключен к электроду и свариваемому изделию. После зажигания дуги за счет теплоты, выделяемой ею, происходит расплавление металла соединяемых деталей и электродного стержня. При перемещении

:*>

электрода обрадуется тарной шов, металл которого кристаллизу­ется но мере удаления дуги и падения температуры металла. Одно­временно (или е небольшим запозданием) с металлическим стерж­нем плавится н покрытие. При плавлении покрытия образуется газовая фаза (СО) н расплавленный шлак. Угарный газ оттесняет воздух из реакционной зоны, а шлак окутывает расплавленные кап­ли и покрывает слоем расплавленный металл сварочной ванны и кристаллизующийся металл. В этом заключается одна из важней­ших задач покрытия - создание шлако-газовой защиты жидкого п остывающего металла.

В случае применения в качестве электрода голой проволоки про­исходит насыщение жидкого металла сварочной ванны кислородом и азотом из воздуха. В результате взаимодействия металла с кисло­родом образуется закись - окись железа (Ре, ОД; она располагается по границам зерен закристаллизовавшегося металла шва, ослабляет связь между ними и приводит к падению прочности и пластичности металла шва.

Азот из воздуха, растворяясь в жидком металле, образует хруп­кие нитриды, что увеличивает прочность и уменьшает пластичность металла (охрупчивает его).

Основными параметрами режима являются: диаметр электрода г/, сила тока / в, напряжение на дуге U и скорость сварки г. Глубина и форма проплавления металла зависят от параметров режима свар­ки. Так, глубина проплавления прямо связана с диаметром электрода и силой тока, пространственным положением, скоростью сварки и траекторией ведения торца электрода. Длина дуги сказывается на ширине шва (чем она длиннее, тем больше ширина шва). Эти же пара­метры режима в конечном итоге отвечают за все параметры проплав­ления. Для ручной сварки характерны следующие размеры свароч­ной ванны: глубина проплавления до 8,0 мм, ширина 8,0...15,0 мм, длина 10...30 мм. Металл шва в своем составе может содержать 15.„35 % основного металла.

Оптимальный выбор параметров режима очень важен, так как он определяет получение сварных швов высокого качества. Основным параметром режима ручной сварки является сила тока, которая вы­бирается в зависимости от диаметра электрода. Именно эти два пара­метра наряду с маркой электрода указываются в технологическом процессе. Информацию о других параметрах можно получить из пас­порта электродов данной марки. Ручная сварка позволяет произво­дить работы во всех пространственных положениях (рис. 2.13) - ниж­нем, вертикальном и потолочном.

Рис. 2.13, Пространстіїсіїимс положения при ручной снарке:

1 — нижнее; 2,3 — періикальпое; 4 — потолочное

Техника сварки в каждом из положений имеет свои особенности. В нижнем положении создаются наиболее благоприятные условия для формирования шва высокого качества. Стыковые соединения выпол­няются без разделки кромок с одной или обеих сторон с толщиной до 6,0 мм. С увеличением свариваемой толщины применяется разделка кромок, которая может выполняться с одной или с двух сторон (рис. 2.14). Стыковые сварные соединения могут выполняться на весу, на различного рода подкладках и с подваркой корня шва. Последнее время широко распространена сварка монтажных соединений на керами­ческих удаляемых подкладках, которые можно использовать многократ­но. При многослойной сварке они могут применяться при выполнении первого (корневого) прохода. В этом случае может использоваться под - варка корня шва или удаление непровара в корне шва с помощью газо­электрической строжки с последующей подваркой.

Техника сварки в вертикальном и потолочном положении имеет свою специфику. Она требует:

• повышенной квалификации сварщика;

• уменьшения силы тока по сравнению с нижним положением на

10.. .20% для уменьшения объема ванны расплавленного метал­ла с целью предотвращения его стекания;

• применения электродов уменьшенного диаметра (для верти­кальных швов не более 5,0 мм, для потолочных - не более 4,0 мм);

• ведения процесса на возможно короткой дуге с небольшими поперечными колебаниями.

Наиболее сложна сварка в потолочном положении; ее выполняют периодическими короткими замыканиями конца электрода на сва­рочную ванну. При этом положении ухудшаются условия вывода из

Рис. 2.14. Коисфукї иииыс племен їм разделки кромок и сборки кромок иод снарку:

а - си. ікоиоебс. і разделки кромок (і о. ніші і і. і до 'І. О мм): б,« - одно - и диухпоронияя ічіммеїрпчиая раздс іка кромок (і о. ііщ и і і>і > з. О мм); л д — іаироиос соединение без и с рааделкоії обсох кромок:

Ь— шор (обычно ранен 1,Г>...'2,0мм); u - уі о і разделки кромок (сіандарпн. н'і угод (И) с o ’); с - ириіуплепнс (обычно колеблегея 2 + 1 мм)

ванны шлака и газа, что отрицательно сказывается на качестве свар­ного шва.

В корпусе судна угловые швы весьма многочисленны. Они могут выполняться двумя приемами. Первый: сварка вертикальным электро­дом в лодочку. Здесь благоприятны условия для провара корня шва и формирования его усиления. Однако он требует тщательной сборки с соблюдением минимальных зазоров во избежание вытекания рас­плавленного металла. При втором приеме стенка тавра расположена вертикально, п сварка ведется наклонным электродом. Здесь трудно обеспечить провар шва но нижней плоскости (из-за натекания на нее расплавленного металла) и предупредить образование подрезов на вертикальной плоскости (из-за стеканпя с нее расплавленного метал-

3 Заказ № 1398
па). Это приводит к ограничению катета шва до б. О...8.0 мм. При на­клонном электроде трудно обеспечить глубокий провар корня шва. поэтому при увеличении толщин элементов соединения больше 1.0 мм делают односторонний, а при толщине свыше 12,0 мм - двухсторон­ний скос кромок (это обеспечивает полный провар сечения).

Наиболее сложна сварка вертикальных, горизонтальных и пото­лочных швов из-за трудностей удержания ванны от стекаппя. Верти­кальные швы выполняются на подъем, на спуск (первый способ пред­почтительнее). При сварке в горизонтальном положении из-за стекания металла возможно образование подрезов по верхней кром­ке. Поэтому при сварке металла большой толщины делают скос лишь верхней кромки. Наиболее затруднена сварка угловых швов в пото­лочном положении. Выполнение швов в этом положении требует спе­циальной подготовки сварщика. Поэтому сварку в потолочном поло­жении желательно по возможности избегать.

Одним из недостатков ручной сварки покрытым электродом яв­ляется относительно низкая производительность. Это связано с тем, что применяемые электроды имеют предел по диаметру. Применение электродов диаметром более 8,0 мм настолько увеличивает массу электрода и держателя, что делает работу сварщика неэффективной из-за его быстрой утомляемости.

В свое время был предложен ряд способов, увеличивающих про­изводительность ручной сварки. Одним из них является сварка ле­жачим электродом (рис. 2.15).

Для него изготавливается специальный электрод (он имеет большую длину и толщину покрытия, чем обычный). Электрод укладывается на свариваемый стык и прижимается к нему одним или несколькими медными брусками. После подключения к сварочной цени зажигает­ся сварочная дуга, которая но мере плавлення электрода продвигает­ся по стыку. Возможен вариант, коїла из нескольких электродов, со­единенных последовательно, собирается секция (по длине всего свариваемого стыка). По мере окончания плавления одного электро­
да специальная электрическая схема переключает ток на следую­щий электрод, обеспечивая непрерывное горение дуги по всей дли­не стыка. Рассмотренный способ в определенной мере механизиру­ет сварочный процесс. К нему же относится и сварка наклонным электродом.

Иногда для увеличения производительности процесса применя­ют электроды, содержащие в покрытии железный порошок (из-за большого объема сварочной ванны сварка возможна только в ниж­нем положении). При оценке технологии ручной сварки той или иной конструкции важными становятся количественные характеристики процесса плавления электрода. С учетом малой плотности тока (10...12 А/мм2) на производительность расплавления электрода, как это установил В. П. Вологдин, из всех параметров сварки решающее влияние имеет сила тока. Процесс плавления электрода определяет­ся коэффициентом расплавления

С.,

а =3600—L - [г/А-ч], р І/

4 с I г

где G - масса расплавленного металла, г; / и - сила сварочного тока, А; t - время горения, с.

Возможность увеличения силы тока при ручной сварке ограниче­на. Во время сварки весь стержень электрода (450 мм) находится под током, что вызывает его нагрев джоулевым теплом. Если величина этого нагрева будет чрезмерна, то отдельные компоненты покрытия могут выгорать, покрытие может трескаться, электрод плавиться не­равномерно. Поэтому ограничивается температура нагрева стержня для органических покрытий величиной 400 °С, а неорганических - 700 °С, что автоматически ограничивает плотность тока. Это и при­водит к тому, что коэффициент расплавления при ручной сварке из­меняется мало (а^ = 7... 12 г/А-ч).

Подводная сварка мокрым способом может осуществляться с при­менением покрытых электродов ручным способом. Этот вид сварки имеет свою специфику. При горении под водой дуга существует в пульсирующем парогазовом пузыре, образующемся за счет разло­жения молекул воды, испарения металла и компонентов покрытия, происходящих с учетом высокой температуры самой дуги. Процесс Дуговой сварки в водяной среде связан с двумя трудностями, воз­никающими именно из-за специфики окружающей среды. Первой

является высокое содержание водорода в парогазовом пузыре, об­разующегося за счет диссоциации молекул воды (до 70...80%).

Растворение водорода в сварочной ванне предопределяет априо­ри высокое его содержание в металле шва (до 23...25 см’/100 г), что значительно превышает содержание водорода в металле шва при су­хой сварке и чревато опасностью образования холодных трещин.

Второй трудностью являются повышенные скорости охлаждения металла шва и зоны термического влияния (ЗТВ), что, особенно при сварке конструкций из сталей повышенной прочности, может приво­дить к подкалке металла этих зон сварного соединения и способство­вать образованию холодных трещин.

Меры борьбы с этими неблагоприятными факторами немногочис­ленны. Практически не удается в значительной степени уменьшить содержание водорода в газовой фазе парогазового пузыря. Добавле­нием в покрытие веществ, содержащих фтор, возможно связать часть водорода в соединение HF, нерастворимое в металле, но хорошо ра­створимое в воде. Этим приемом удается уменьшить содержание водорода в металле шва до 14... 15 см’/100 г. Этого тоже много, но для низкоуглеродистых и низколегированных сталей с хорошей пластич­ностью можно получить сварные соединения при применении пер­литных электродов без холодных трещин. С увеличением прочности стали получить бездефектное соединение на конструкциях из этих сталей с применением перлитных электродов не удается и приходит­ся применять электроды со стержнем из аустенитных сталей или ни­келевых сплавов. Это связано с тем, что предел растворимости водо­рода в аустенитном металле шва гораздо выше, чем у перлитного металла, а растворимый в твердом растворе аустенитного металла шва водород предотвращает (или значительно уменьшает) возмож­ность возникновения холодных трещин в металле шва.

Уменьшение скоростей охлаждения металла шва и ЗТВ при свар­ке более прочных сталей, чем низколегированные, типа 09Г2 (с уг­леродным эквивалентом С > 0,4), можно получить двумя путями. Первый - увеличение коэффициента массы покрытия (увеличение толщины покрытия) с тем, чтобы увеличить массу жидкого шлака, укрывающего шов при остывании. Здесь также приходится прибе­гать к специальным приемам, так как увеличение толщины покры­тия приводит к запаздыванию его плавления, образованию длинно­го козырька и нарушению процесса сварки. Из этого затруднения можно выйти, добавляя в покрытие титанотермптную смесь, кото­рая при прохождении экзотермической реакции дает добавочное количество тепла, что ускоряет плавление покрытия.

Вторым путем является создание покрытий на каучукової! основе с добавкой тптанотермнтных смесей. Такие покрытия имеют хоро­шую адгезию в присутствии воды. Они наносятся на поверхности металла непосредственно у шва под водой перед выполнением свар­ки. Из-за низкой теплопроводности такого слоя затрудняется тепло­отвод от поверхности металла ЗТВ, а это в свою очередь ведет к умень­шению скоростей охлаждения металла ЗТВ, чему также способствует экзотермическая реакция, идущая с выделением тепла в части слоя непосредственно у сбега усиления к основному металлу. Этот способ позволяет применять ручную электродуговую сварку, выполняемую водолазами, при ремонте корпусов судов и других морских конст­рукций на глубинах до 50 м без постановки судна в док или осушения ремонтируемого района.

Механизированная сварка под слоем флюса (рис. 2.16). Электри­ческая дуга горит под слоем флюса. При ее горении происходит плав­ление подаваемой в зону горения электродной проволоки и флюса. Образуется парогазовый пузырь (он заполнен парами металла и газа­ми, образующимися при плавлении проволоки и флюса).

1 — спариваемый мсіапп: 2 - сварочная дуіа; 3 — сварочная ваииа;

4 ~ закрнс іаппн. твавппніся шов; 5 - вас і ывшая шпаковая корки;

6 -- жидким шпак; 7 — насыпном спой ф. иоса: X - ропикн. подающие в лому Л>ч и ппекі родную в ровопоку; 9 — юкоиодвод;

10 — .). іск і род мая провопока; 11 — кассета с нроводокон

Давление газов в атом пузыре (7...9 г/ем-’) совместно с давлением дуги оттесняет жіідкиіі металл в хвостовую часть ванны; повышенные силы тока при этом способе увеличивают механическое давление дуги, что приводит к более глубокому проплавленню металла. Насыпной слой флюса н шлак надежно защищают реакционное пространство н затвердевающий! металл от воздействия газов атмосферы.

Этот способ сварки имеет широкое распространение в промыш­ленности и применяется для сварки и наплавки различных по сво­им свойствам металлических материалов. Он обладает высокой производительностью, обеспечивает высокое качество шва и ста­бильность свойств сварного соединения, обладая более низким (по сравнению с ручной сваркой) расходом сварочных материалов и электроэнергии.

Высокая производительность процесса достигается возможнос­тью использовать более высокую плотность тока (200...250 А/мм'2), что обеспечивается значительно меньшим вылетом электродной про­волоки по сравнению с ручной сваркой (/г < 70 мм). Токовая нагрузка на соответствующий диаметр электрода может доходить до 2000 А. Именно это ведет к увеличению глубины проплавления основного металла и скорости плавления электродной проволоки. Наибольшее распространение получила сварка одной электродной проволокой, хотя существуют варианты двух - и многодуговой сварки. Во всех видах механизированной сварки электродная проволока в зону дуги подается специальным механизмом подачи; при автоматической свар­ке дуга вдоль шва перемещается также при помощи механизма пере­мещения, а при полуавтоматической ее перемещает сварщик-опера­тор.

Сварка под флюсом может осуществляться как на постоянном, так и на переменном токе.

Основными параметрами автоматической сварки являются: диа­метр электродной проволоки dt [мм]; сила сварочного тока / [А];

напряжение на дуге б/ [В]; скорость сварки ги [м/ч]. Критерием ста­бильности процесса автоматической сварки является равенство U = U (равенство скорости плавления и скорости подачи электро­дной проволоки). Рассматривая этот критерий с общих позиций, сле­дует отметить, что?> = f(q), где q = rJctU2.

Параметры режима сварки определяют основные параметры про­плавлення (h - глубину провара, g - высоту усиления и е - ширину шва), качественная взаимосвязь которых показана на рис. 2.17.

Недостатками сварки под флюсом является то, что из-за сыпуче­сти флюса она может выполняться практически только в нижнем по-
ложсппп (наклон к горизонтальной плоскости не более 15°), а также. затруднена уборка флюса после сварки (для отого применяются спе­циальные флюеоотсосы).

б)

Рис. 2.17. Ндняннс на нарамсфм нроп. іан. іспня мсіа. т.та оснопных парамс і |><>п режима автоматической снарки иод флюсом:

я - том 1ока;б - напряжения на дую; и - скорое і и снарки

Высокие значения силы тока и концентрации тепловой энергии позволяют при этом способе сварки значительно (по сравнению с ручной сваркой) увеличить толщину стыковых сварных соединений, выполняемых за один проход без разделки кромок (до 24 мм). При этом особое внимание необходимо обращать на формирование кор­ня шва (обратного усиления), для качественного выполнения кото­рого рекомендуется несколько способов (рис. 2.18).

Из-за большого объема жидкого металла ванны сварка на весу прак­тически невыполнима. Самый простой, но отнюдь не самый хороший способ - сварка на остающейся подкладке (рис. 2.18, а), так как зазор между планкой и изделием является концентратором напряжений, местом концентрации солей (при работе в коррозионной среде) и возникновения щелевой коррозии. Одно время для сварки плоских конструкций толщиной 4,0...6,0 мм рекомендовалось применять элек­тромагнитные стенды с флюсовой подушкой (рис. 2.18, б). Для каче-

Рис. 2.18. Способы односторонней анюматической снарки стыковых соединений (боа раадедки кромок: а — на остающейся нодкдадке: 6 — на ф.-носоной подушке: п — на медной нодкдадке: / — на флюсо-мсдной подкладке;

1 - фдюсоиая подкладка: 2 - спариваемые левым:

У - .иск іромаї пні ы для прнжашя дне гон к стенду; У - медная подкладка:

~> - едой флюса на медном подкладке (флюсо-мсдпая подкладка)

ствеиного выполнения соединения при этом способе требовалось тщательное соблюдение зазора по длине стыка и равномерность нод - жатпя флюса по длине ручья, что не всегда выполнимо. Хорошие ре­зультаты дает секционированная медная подкладка с канавкой для формирования обратного валика, закрепляемая с возможно плотным прижатием тем или иным способом (рис. 2.18, в). Недостатком явля­ется возможность «убегания» ванны при повышенных зазорах между подкладкой и изделием. Этот недостаток полностью ликвидируется при применении медно-флюсовой подкладки (рис. 2.18, г). Здесь пе­ред прижимом секции подкладки к изделию на ее поверхность насы­пается слой мелкого флюса, предотвращающего «утекание» ванны при наличии зазора между подкладкой и изделием. В последнее время в качестве подкладки многоразового использования применяются раз­личного рода керамические подкладки, закрепляемые липкой лентой или другими способами.

Тавровые соединения рационально сваривать полуавтоматичес­кой сваркой с применением тонкой электродной проволоки

1,6.. .2,0 мм. При оптимальном подборе силы тока и скорости сварки получается хорошее менисковое формирование сварного шва. В за­висимости от требований к сварному соединению оно может выпол -

пяться как с разделкой одном или двух кромок (с полным проваром стенки), так и без разделки кромок (корень соединения не проварен).

Дуговая сварка в защитных газах может выполняться в инертных и активных газах, К первым относится аргон и гелий, наиболее ярким представителем вторых является углекислым газ. Сварка в инертных газах может производиться иеплавящпмся (вольфрамовым) (рис. 2.19, а) или плавящимся (рис. 2.19, 6) электродом.

Первым вид может выполняться ручным пли механизированны­ми способами (полуавтоматическая плп автоматическая сварка). Оба эти способа относятся к струйном защите, когда струя защитного газа, вытекающая из сопла горелки, оттесняет воздух из реакционной зоны, а инертный газ, окружающий дугу и ванну жидкого металла, не реаги­рует с последним при любой температуре. Кроме этого, именно в инер­тном газе наблюдается высокая стойкость вольфрамового электрода из-за его большого химического сродства к кислороду.

Основной инертный газ, применяемый на практике, - аргон. Возмож­но применение гелия или аргоногелневых смесей. Способ широко рас­пространен для сварки металлов относительно малой толщины (1,0...5,0 мм) при небольшой протяженности соединений, расположен­ных во всех пространственных положениях. Преимущественное примене­ние способа - для сварки конструкций из высоколегированных сталей а химически активных металлов и их сплавов (алюминий, титан, цирко­ний и т. д.). Сварка свободно истекающим потоком газа имеет свои особенности (рис. 2.20, а).

а) б)

Обычно расстояние от среза сопла до изделия должно быть таким, чтобы ванна расплавленного металла находилась в зоне потенциального ядра - при этом обеспечивается качественная защита жидкого металла

ванны. Пограничный слой зоны защиты содержит переменный состав защитного газа, концентрация которого убывает от потенциального ядра к границе наружного слоя. Струя газа, истекающая из сопла горелки п имеющая потенциальное ядро с постоянной концентрацией газа, натекая на свариваемую поверхность, деформируется (рис. 2.20, 6), увеличивая зону надежной защиты, диаметр которой можно определить но омшірп - ческой формуле

где D - диаметр сопла горелки, мм; Н — расстояние между срезом со­пла горелки н свариваемой деталью, мм.

Основным недостатком способа ручной сварки неплавящимся электродом является его малая производительность и относительная дороговизна, связанная со стоимостью инертных газов. Поэтому спо­соб практически не применяют при сварке толстолистовых сварных соединений из перлитных сталей различных марок. В ряде случаев его используют лишь для сварки корня шва, где удается получить удовлетворительное формирование обратного валика (например, при V-образной разделке для стыков стальных трубопроводов).

Качество формирования шва зависит от диаметра присадочной проволоки и скорости ее подачи в зону сварки. Следует отметить, что увеличение диаметра присадочной проволоки снижает глубину проплавления. Ориентировочно диаметр присадки выбирают в зави­симости от силы тока или прямо связанного с ней диаметра вольфра­мового электрода

=(0,5.,.0,7)г/'У.

Качество струйной защиты зависит от длины начального участка струи Н (см. рис. 2.20), конструкции и геометрии сопла, расхода за­щитного газа через него. Основным недостатком такой защиты явля­ется возможность ее нарушения поперечными потоками воздуха (сквозняками). При этом открывается доступ воздуха в зону сварки и связанное с этим окисление и азотирование металла шва. Есть спо­собы, уменьшающие «сдувание» защиты (специальные конструкции выходных сопел, увеличение расхода газа), однако они не решают вопроса кардинально. Поэтому был предложен другой путь - созда­ние специализированных установок, в которых сварка ведется в кон­тролируемой атмосфере инертного газа. Эти установки могут быть от - иогптельно простыми, где в небольшом, изолированном от воздуш­ной атмосферы н заполненном инертном газе объеме сварка ведется через уплотненные резиновые рукава ручным способом. Но большее применение имеют установки с контролируемой инертной атмосфе­рой (рис. 2.21), где сварка (ручная или механизированная) ведется операторами, находящимися в специальных скафандрах, внутри ус­тановки (в объеме, заполненном инертным газом). Она представляет собой жесткий герметично выполненный корпус, изготовленный из коррозионноустойчивой стали. Перед заполнением инертным газом при помощи системы вакуумирования в установке создается вакуум не менее 10 •* мм рт. ст.

В конструкции корпуса предусмотрены специальные шлюзы: для входа операторов; ввоза деталей, оборудования, инструмента и вы­воза готовой конструкции. Кроме этого имеются гермовводы для подачи тока, воды и т. д. Шлюзы имеют герметические двери, одна из которых открывается внутрь установки. Размеры грузового шлюза

-и зависят от общего объема установки и габаритов изготавливаемых изделии, людского шлюза - берутся из расчета одновременного шлю­зования двух операторов. Грузовой шлюз вакуумпрустся и заполня­ется инертным газом так же, как и основной объем установки. По - иному эксплуатируется шлюз для людей. После входа операторов, одетых в герметичные мягкие костюмы из прорезиненной ткани с индивидуальным жизнеобеспечением (или подачей и отводом воздуха специальной системой), и закрывания обеих дверей шлюз снизу проду­вается аргоном. Аргон тяжелее воздуха, он вытесняет последний через верхние клапана шлюза; после этого открывается внутренняя дверь, и операторы входят в основной объем установки. Операторы открывают внутреннюю дверь грузового шлюза, куда заранее помещены детали сва­риваемой конструкции, необходимое оборудование и инструмент, и на специальной тележке транспортируют на рабочее место, где начинается сборка и сварка конструкции. В процессе работы может нарушаться за­ранее установленная чистота газовой атмосферы из-за газовыделений из расплавленного металла, скафандров, смазки механизмов и т. д. Для доведения инертной атмосферы до нужной чистоты и удаления приме­сей служит система газовой очистки, а для контроля за содержанием примесей - система контроля. В первой системе газ при помощи побу­дителя (вентилятора) прогоняется через ряд блоков, где происходит очи­стка от паров воды, кислорода и азота. Система контроля может рабо­тать в автоматическом режиме: как только содержание примесей превысит заданный уровень, включается система газовой очистки, ко­торая будет работать до тех пор, пока чистота газа не достигнет первона­чальной заранее заданной. Температура газовой атмосферы внутри ус­тановки поддерживается в комфортных пределах при помощи системы терморегуляции. На практике такие установки представляют собой сложные и дорогостоящие инженерные сооружения объемом до 100 м1. Однако дороговизна эта довольно быстро окупается за счет:

1) стабильности качества сварных соединений, определяемой тем, что сварка всегда проводится в однородной и контролируемой среде инертного газа.

2) значительного упрощения сварочной горелки: по существу, она представляет держатель для вольфрамового электрода, не имеет систем газоснабжения и (как правило) водяного охлаждения, что значительно уменьшает ее габариты и делает возможным сварку сложных конструкций с труднодоступными для обыч­ных горелок местами;

3) многократного использования инертного газа (заполненный объем используется до года), что снижает расходы на его при­обретение.

С’гроїітс.'іьсгио и эксплуатация таких установок оправданы тогда, когда друиіе способы сварки не обеспечивают стабпд ытсть уровня качества сварных швов (особенно это проявляется при сварке конст­рукции ив химически активных металлов и сплавов),

С 1960 г. все более широко применяется полуавтоматическая и авто­матическая сварки плавящимся электродом в активном эащптном гаде - СО, (см. рис, 2.19, б). В этом случае в воне дуги происходит диссоциа­ция молекулы СО, на термически стойкую молекулу угарного газа СО и кислород. Практически защитным газом является СО п образующиеся при плавлении пары металла. Кислород окисляет поверхность металла и может способствовать выгоранию легирующих элементов, что требу­ет их восполнения через электродную проволоку. В последнее время все большее распространение получает комбинированная газовая защита, когда в качестве защитного газа применяется смесь активных и инерт­ных газов в различном соотношении.

Универсальными смесями являются;

• 82% Аг + 18% С()2 - применяется для широкого диапазона свар­ных конструкций ннзкоуглеродистых и низколегированных сталей;

• 86% Аг + 12% СО, + 2% О, - обеспечивает стабильное горение дуги и большую глубину провара;

• 85% Не + 13,5% Аг + 1,5% С02 - практически не окисляет по­верхность шва п обеспечивает хорошее формирование его по­верхности.

Гелевые смеси изменяют форму провара, повышают температуру сварочной дуги и производительность труда. Существует еще ряд смесей системы Аг-Не-СО.,-0,, Изменение химического состава смеси приводит к изменению ее теплофнзичеекпх характеристик и потенциала ионизации, что и является причиной изменения пара­метров проплавлення и формирования шва. По сравнению со свар­кой в чистом СО,, сварка в многокомпонентных смесях обладает определенными преимуществами. Прежде всего, наблюдается зна­чительное уменьшение разбрызгивания электродного металла, а это ведет к резкому уменьшению объема работ по удалению брызг с ме­талла шва п околошовных участков (т. е. к уменьшению трудозатрат). Практические свойства металла шва, выполненного в смеси, остают­ся па уровне свойств металла шва, сваренного в СО,, удлинение рас­тет в среднем па 8.,, 10%, ударная вязкость (KCV) увеличивается в 1.5-2 раза в зависимости от состава смеси.

При использовании многокомпонентных смесей предпочтитель­нее готовые смеси, так как иначе требуется применение специальных

газовых смесителей с соответствующей системой контроля за соблю­дением заданного состава. Следует отметить, что применение много­компонентных газовых смесей при полуавтоматической! сварке в мировой промышленности ежегодно растет.

Плазменную сварку и резку часто называют сваркой сжатой дугой (рис. 2.22). 15 специальном плазмотроне в цилиндрическом канале про­исходит обжатие столба дуги, горящей между вольфрамовым олект - родом и изделием, потоком плазмообразующего газа, проходящим через канал сопла (отсюда термин - сжатая дуга).

Основные преимущества способа - высокая концентрация энер­гии в пятне нагрева (10'...10'' Вт/см2) и стабильность горения дуги. При этом устойчивость процесса во многом зависит от конструкции и материала сопловой части плазмотрона, электрода, расхода плаз­мообразующего и защитного газа. Состав плазмообразующего газа и величина его расхода выбираются, исходя из свойств электрода, со­става свариваемого металла и требований к устойчивости дуги. Так, если применяется вольфрамовый электрод, то в качестве плазмооб­разующего газа могут быть использованы Аг, Не. N., п Н, (или их смеси). Как правило, расход нлазмообразующего газа невелик п со­ставляет 0,2... 1,Г) л/мин. Состав н расход защитного газа зависит от свойств свариваемого материала. С увеличением силы тока и скоро­сти истечения плазмообразующнх потоков формирование шва на подкладке затруднено, [[потому часто удовлетворительного форми­рования удается достичь только при создании сквозного отверстия в головной части ванны, через которое удаляются раскаленные газы и пары металла. Правда, такой процесс возможен в весьма узких диапа­зонах режима.

Плазменная сварка имеет две разновидности процесса: плазмен­ной струен прямого и косвенного действия. В первом случае источ­ник тока одним полюсом подключается к электроду плазмотрона, вто­рым - к изделию. Второй вид предполагает подключение источника тока одним полюсом к электроду, а вторым - к соплу плазмотрона. Здесь активные пятна дуги находятся на вольфрамовом электроде и внутренней боковой поверхности сопла. Дуговая плазменная струя представляет собой интенсивный источник теплоты с широкими тех­нологическими возможностями. Плазменной струей можно свари­вать практически все металлы и сплавы в нижнем и вертикальном положении. Процесс имеет высокую производительность и позволя­ет без разделки кромок сваривать толщины до 15 мм (дугой со сквоз­ным проплавленнем). Высокая концентрация энергии обеспечивает специфическую, «кинжальную» форму проплавлення с малой шири­ной и большой глубиной провара. Весьма успешно применяют плаз­му и для резки металлов. Этот процесс основан на расплавлении ме­талла в зоне реза и его последующем выдувании потоком плазмы. Малые толщины режут дугой косвенного действия.

В последнее время, с появлением более стойких водоохлаждае­мых циркониевых и гафниевых электродов, в качестве плазмообра­зующего газа используют воздух. Высокая концентрация энергии плаз­менной струн обеспечивает относительно большую скорость резки и по сравнению с кислородно-ацетиленовой резкой уменьшение дефор­маций кромок вырезаемых деталей в 2-2,5 раза.

Электрошлаковая сварка (ЭШС) используется для расплавле­ния металла теплотой, выделяемой при прохождении тока через рас­плавленный шлак. Свариваемые детали с определенным зазором ус­танавливаются вертикально (рис. 2.23).

Автомат передвигается по поверхности листа по специальной зуб­чатой рейке, установленной рядом с выполняемым швом. Шов фор­мируется между торцами листов в зазоре, с обеих сторон закрытом неподвижной подкладкой н водоохлаждаемым ползуном. Процесс начинается как дуговой на подкладной планке при неподвижной дуге. По мере наведения шлаковой ванны дуга гаснет (шунтируется), н про­цесс расплавления идет за счет тенлогы, выделяемой! при протекании тока через расплавленный шлак. Количество выделенной теплоты

І. З

Q = Q,'24I2Rur

где 7? - сопротивление шлаковой ванны.

Теплота равномерно распределяется по объему сварочной ванны и приводит к оплавлению кромок и расплавлению электродной про­волоки. Такое распределение теплоты особенно благоприятно при сварке больших толщин, что позволяет за один проход сваривать эле­менты различных конструкций толщиной 100 мм и более. Преиму­ществом процесса является высокая производительность, сравнитель­ная простота, возможность автоматизации. В качестве электрода применяют проволочные системы (одна или несколько проволок), электродные пластины или плавящиеся мундштуки. Выбор системы и конструкции автомата диктует толщина и форма свариваемых кро­мок.

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС). При этом способе сварки (рис. 2.24) источником нагрева служит концентрированный поток электронов, имитируемый катодом электронно-лучевой трубки. Тепло выделяется в металле в результате торможения электронов, разогнан­ных в трубке до высоких скоростей и накопивших большой запас кине­тической энергии. Сварка осуществляется в вакууме 10 '...10 "’мм рт. ст. в специальных камерах. Вакуум позволяет сваривать химически

4 Заказ № 1398

активные материалы, не дает рассеивания электронного луча и обес­печивает высокий эффективный КПД процесса (0,85...0,95). ЭЛ С позволяет сваривать без разделки кромок весьма большие толщины (100 мм в зависимости от мощности электронной трубки), произво­дительность процесса по крайней мере в 1,5-2 раза выше, чем при дуговой сварке.

Недостатками процесса являются высокая стоимость оборудова­ния, его сложность и необходимость строго выдерживать по длине со­единения зазор в стыке (обязательна механическая обработка кромок деталей). Последняя связана с тем, что при малом диаметре пятна на­грева (его диаметр при помощи фокусирующей системы может изме­няться от 0,05 до 5,0 мм при плотности энергии 105.. 10(> Вт/смД полу­чается клиновидная форма проплавлення и возникает необходимость точного ведения луча по стыку с малым зазором. Фокусировка луча может менять плотность энергии, изменяя этим форму проплавлення (рис. 2.25). При оптимальной фокусировке необходимо применять системы слежения с высокой точностью направления луча по стыку (+0,15 мм). Сканирование луча позволяет избежать ряда дефектов, характерных для ЭДС. К ним относятся несплавленне кромок в корне

л»

шва, подрезы и др. Используются прямоугольные или синусоидальные поперечные колебания в широком диапазоне частот (10.„800 Гц) с ам­плитудой колебаний 0,5...2,0 мм. Иногда наряду с поперечными коле­баниями применяют продольные. Луч может работать в постоянном или импульсном режиме. В последнем случае тепловыделение допол­нительно регулируется частотой и длительностью сварочных импуль­сов.

Лазерная сварка и резка. Лазер представляет собой оптический квантовый генератор, создающий когерентное излучение определен­ной длины волны. По виду активного вещества излучателя лазеры разделяют на твердотельные и газовые, работающие в импульсном режиме и режиме постоянного излучения.

В современных твердотельных лазерных сварочных установках (рис. 2.26, а) в качестве активного элемента может использовать­ся монокристалл рубина, стекло с примесью неодима или других редкоземельных элементов; эти лазеры работают в импульсном режиме излучения. В качестве генератора возбуждения здесь ис­пользована газоразрядная лампа. Если кристалл рубина осветить зеле­ным светом лампы накачки, то ионы хрома возбуждаются и переходят на более высокий энергетический уровень. Однако уровень этот нестаби­лен, и частицы быстро переходят (безызлучательно) на промежуточный метастабильный уровень. По мере достаточной заселенности этого уров­ня переход хотя бы одной частицы на низший энергетический уровень вызывает лавинообразный переход из него и других частиц, что приво­дит к созданию когерентного излучения с определенной длиной волны.

Г>1

Твердотельные лазеры имеют довольно низкий КГІД, п их применение для обработки металлов сильно ограничено.

Для технологических целей используются в основном газовые лазеры (рис, 2,26, 6) с непрерывным излучением. Их КПД может быть на порядок больше (выше 30%), мощность их достигает 25 кВт и бо­лее, Активный элемент такого лазера может представлять углекис­лый газ с добавками азота и гелия; эта среда возбуждается стационар­ным тлеющим разрядом. Плотность энергии в пятне нагрева (его диаметр в зависимости от фокусировки луча может быть 0,1,„1,5 мм) достаточно высока (до 10'' Вт/смД, Плотность тепловой энергии в пятне нагрева луча зависит от его мощности и поглощательной спо­собности свариваемых кромок (состояние поверхности и длины вол­ны излучения).

При сварке лазером непрерывного излучения форма и размеры сварочной ванны примерно похожи на таковую при сварке плавлени­ем. Способ широко применяется для сварки различных изделий в радиоэлектронной промышленности. Преимущества лазерного. туча как технологического инструмента хорошо реализуются при резке различных материалов.

Л

При воздействии лазерного излучения па металлы возможны два механизма резки - плавленном и испарением. Поверхность разруше­ния, или так называемый капал реза. существует по всеіі разрезаемой толщине н перемещается в процессе резки со средней скоростью в направлении резки. Практически работает первый механизм, так как реализация второго затруднена в связи с достаточно высокими удель­ными энергозатратами. При лазерной резке часто используют кисло­род в качестве вспомогательного газа, который обеспечивает выделе­ние в канале реза дополнительной теплоты экзотермической реакцией. Кроме этого, кислород способствует предварительному окислению металла и уменьшению его отражательной способности, сдуванию и выносу из зоны резки расплавов и продуктов сгорания металла, чем обеспечивает одновременный приток кислорода к фронту реакции горения.

Ширина реза зависит от степени фокусировки луча и скорости резки. Толщина разрезаемого материала напрямую связана с мощно­стью излучения.

Важным является то обстоятельство, что при высокой концентра­ции нагрева и относительно высоких скоростях реза уменьшается ширина зоны упруго-пластической деформации и, как следствие, уменьшается деформация и увеличивается (по сравнению с кисло­родно-ацетиленовой и плазменной резкой) точность вырезаемых де­талей. Большим затруднением при лазерной сварке и резке является транспортировка луча к месту выполнения операции. Как правило, она осуществляется оптическим способом, что часто приводит к со­зданию сложных и тяжелых в эксплуатации систем. Видимо, приме­нение в ближайшем будущем стекловолокнистых проводников из-за их гибкости значительно упростит эту операцию.