ОСНОВЫ СВАРКИ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

СВАРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

К сварочным относят материалы, прямо или косвенно принимаю­щие участие в формировании сварного шва. Это сварочная проволо­ка, присадочные прутки, неплавящиеся электроды, плавящиеся элек­троды с покрытием, различного рода флюсы и защитные газы. Сварочные материалы выполняют различные функции, основными из которых являются;

технологические;

• обеспечение стабильного протекания дугового или электрошла - кового процесса;

• заполнение зазора между свариваемыми деталями (или раз­делки) присадочным (наплавленным) металлом;

• формирование усиления и поверхности сварного шва;

металлургические:

• защита зоны сварки от кислорода и азота воздуха;

• легирование расплавленного металла;

• рафинирование жидкого металла (удаление S, Р и газов 02, Ni, Мп);

• модифицирование металла шва с целью измельчения первич­ной структуры кристаллизации.

Сварочная проволока. Ее используют и для производства плавя­щихся покрытых электродов, и при механизированных способах свар­ки в виде непрерывного плавящегося электрода.

Сварочная проволока для сварки стальных конструкций поставля­ется по ГОСТ 2246-70 (77 марок). Этот стандарт регламентирует хи­мический состав проволоки и ее диаметр (для сварки и изготовления электродов 1,6..,8,0 мм). В стандарте обозначение проволоки начина­ется с индекса «Св», затем дается система легирования и среднее со­держание элементов. Так, малоуглеродистая проволока имеет 3 марки; Св-08; Св-08А и Св-08АА. Первые две цифры указывают на среднее

содержание углерода в сотых долях процента, буквы «Л» обозначают чистоту металла по сере и фосфору (наиболее чистая Св-08АА).

Легирующие элементы в проволоке обозначаются по принятой символике буквами: Б - ниобий; В - вольфрам; Г - марганец; Д - медь; М - молибден; Н - никель; С - кремний; Т - титан; Ф - вана­дий; X - хром; Ц - цирконий; К) - алюминий (Св-08ГА; Св-10ГС; Св-08Г2С; Св-06Х19Н9Т; Св-04Х19НАМЗ).

Если в марке указана только буква, это значит, что данный элемент содержится в количестве не более 1%, если после буквы стоит цифра, то она указывает среднее содержание данного элемента. Химический состав некоторых проволок приведен в табл. 5.2. Подобные стандарты существу­ют и для проволок из медных, алюминиевых и титановых сплавов.

Особый интерес представляет порошковая проволока в виде труб­ки (часто сложного сечения для увеличения жесткости), заполнен­ной порошковым наполнителем. Этот наполнитель имеет состав, обычно соответствующий составу покрытия основного типа с опре­деленным соотношением массы наполнителя к массе металличес­кой оболочки. Такая проволока, как правило, может не требовать применения флюса или газа (шлакогазовую защиту создает плавя­щийся наполнитель). Она является универсальным сварочным ма­териалом, пригодна для сварки любых сталей (в зависимости от марки проволоки), для наплавки слоев с особыми свойствами, для подводной сварки. Примеры поперечных сечений порошковых про­волок приведены на рис. 5.5.

Современная промышленность во все большем объеме потребля­ет различного класса порошковые проволоки, причем для полуавто­матической сварки применяется в основном проволока малых диа­метров (1,2.„1,6 мм). По характеру наполнителя все порошковые проволоки делятся на 3 группы.

Примечание: Буква А в конце условных обозначений марок низкоуглеродистых и низколегированных проволок указывает

на повышенную чистоту металла по содержанию серы и фосфора,

1. Рутиловые - обеспечивают устойчивую дугу, хорошее фор­мирование шва, мелкокапельный перенос металла (практи­чески отсутствует разбрызгивание). Применяется для сталей с св < 650 МПа. По сравнению со сплошной проволокой дает уве­личение производительности труда на 50.„70%.

2. Основные - применяют для конструкций высокой ответствен­ности (с повышенными требованиями к ударной вязкости ме­талла шва). Дают крупнокапельный перенос металла в дуге. Раз­брызгивание выше, чем у рутиловых проволок. Рекомендуются при выполнении корневых проходов. При многопроходной сварке зачистка каждого прохода не требуется.

3. Металлопорошковые - содержат в наполнителе мало шлако­образующих. Разбрызгивание минимально, зачистки не тре­буются. Проволока совмещает достоинства рутиловых и ос­новных проволок.

Как правило, применяются проволоки диаметром 1,2... 1,6 мм. Сварка ведется либо в чистом СО.,, либо в смеси Аг + СО^ в разном процентном содержании С05 в смеси. Считается, что такой процесс по сравнению со сваркой сплошной проволокой обеспечивает увели­чение коэффициента наплавки в среднем в два раза (по данным неко­торых фирм, он возрастает для сравниваемых проволок диаметра 1,2 мм с 1,6 до 3,6 кг/г).

В настоящее время и в России разработана и освоена в производ­стве рутиловая порошковая проволока диаметром 1,2 мм марки 48ПП-84 для сварки низколегированных сталей. Значительное применение по­рошковые проволоки находят для наплавки различных деталей при ремонте. Так, украинская фирма «Элиа» рекомендует целый ряд спе­циальных проволок для наплавки слоев с особыми свойствами. На­пример, проволока марки ГІП-АН163 применяется для наплавки под флюсом судовых гребных валов.

Неплавящиеся электроды не принимают непосредственного уча­стия в формировании шва, а служат лишь для поддержания горения дуги. Изготовляют эти электроды из тугоплавких материалов: гра­фита, угля, вольфрама, циркония, гафния. Графитовые и угольные электроды различаются строением решетки углерода (в графите стро­ение кристаллическое; в угле - аморфное). Графитовые электроды более стойки термически и допускают по сравнению с угольными большую токовую нагрузку при меньшем испарении материала элек­трода.

При электродуговой сварке наибольшее распространение получи­ли вольфрамовые электроды. Эти электроды поставляются по ГОСТ 23949-80 и имеют несколько модификаций: марка В (чистый вольф­рам), марка ВТ (с добавкой 1,0...2,5% окиси тория), марка ВЛ (с добав­кой 1,5...2,0% окиси лантана) и марка ВИ (с добавкой 1,5...2,5% окиси иттрия). Добавки этих окислов увеличивают стойкость вольфрамо­вых электродов и уменьшают их расход при зажигании дути путем ко­роткого замыкания (рис. 5.6). Наибольшей стойкостью обладают элек­троды марки ВИ, их и следует применять преимущественно.

Покрытые плавящиеся электроды для ручной сварки представ­ляют собой стержень из сварочной проволоки соответствующего со­става со специальным покрытием (рис. 5.7). У различных марок элек­тродов масса покрытия составляет 30...50% от массы стержня, толщина покрытия на сторону колеблется 0,5...2,0 мм в зависимости от марки и диаметра электрода.

Покрытие предназначено для организации газовой и шлаковой защиты расплавленного металла, стабилизации горения сварочной дуги, легирования и рафинирования жидкого металла сварочной ван­ны. Образующийся при плавлении электрода шлак способствует так­же формированию усиления сварного шва.

Комбинированная газошлаковая защита создается за счет:

а) введения в покрытие соединений, дающих при разложении СО, (карбонаты или целлюлозу), С02 разлагается в дуге на СО и О; первый и является защитным газом, вытесняющим воздух из реакционной зоны;

б) образования шлака в результате плавления введенных в по­крытие окислов металлов (CaO, MgO, MnO, FeO, ЛІД)., и др.) и солей (фторидов и хлоридов металлов).

Для стабилизации сварочной дуги в покрытия вводят легкоиони - зирующие элементы: К и Na. Кроме этого, для получения шлака и газа в покрытия вводятся соединения различных минералов.

Легирование сварочной ванны осуществляется введением в по­крытие порошков лигатур (сплавов с железом некоторых металлов: ферромарганец, ферросилиций и т. д.). Связывание мелкоразмоло - тых порошков из вышеуказанных соединений после расчета и со­ставления шихты производят путем специальных связывающих ве­ществ, наиболее употребительным из которых является водный раствор натриевого жидкого стекла - силиката натрия или калия. Для улучшения покрывающей способности и получения высокого качества покрытия в него вводят пластификаторы (органические или синтетические соединения).

Весьма упрощенно технология изготовления покрытых электро­дов выглядит следующим образом. Стержни для электродов рубят из сварочной проволоки в размер на специальных рубочных станках, правят, чистят и обезжиривают. Длина стержней для d — 4 мм состав­ляет 450 мм. Длина стержня меньшего диаметра и из высоколегиро­ванной проволоки (с высоким электрическим сопротивлением) -

350.. .200 мм. Для каждой марки электродов в соответствии с нуж­ным химическим составом по специальной методике производится расчет шихты. Необходимые для данного покрытия компоненты про­ходят контроль химического состава и ряд операций дробления до получения мелкого порошка (пудры). Такое измельчение диктуется необходимостью увеличения скорости и полноты протекания всех химических реакций во время плавления покрытия.

Ферросплавы также измельчают и термообрабатывают для об­разования на поверхности частиц окисной пленки, которая пре­дохраняет их от дальнейшего окисления при изготовлении (пас­сивирование). Компоненты после подготовки таким образом

і:и
развешивают в соответствии с проведенным расчетом шихты; пос­ле смешения ее компонентов производится тщательное перемеши­вание для усреднения состава. Полученную сухую шихту замеши­вают на жидком стекле до необходимой консистенции. Из полученной обмазочной массы изготавливают брикеты, которые параллельно со стержнями поступают на обмазочные прессы, где покрытие с нужной толщиной наносится на стержень по всей его длине. Затем производится зачистка концов электрода (для за­крепления в электродержателе и для облегчения зажигания) с по­следующим нанесением на очищенную поверхность краски, соот­ветствующей марке электрода.

Все эти операции в современных условиях обычно производятся на механизированных поточных линиях. В ряде случаев при неболь­шом объеме (небольших партиях) электроды изготавливают путем окунания стержней в обмазочную массу с консистенцией сметаны. Вышедшие после обмазки электроды сушат при нормальной темпе­ратуре 20...48 ч (или 2...4 ч при температуре 40...50 °С), а затем прока­ливают для полного удаления влаги из покрытия. Прокалки электро­дов, содержащих в составе покрытия органические соединения, проводят в течение 1...2 ч при температуре 150...200 °С, без них -

300.. .400 °С. Затем электроды сортируют, из каждой партии (масса партии колеблется от 2 до 20 т) отбираются пробы для сертификат­ных испытаний, определяющих свойства наплавленного данной мар­кой электродов металла (в соответствии с ГОСТ 9466-75). Готовые электроды пакуют в пачки 3...8 кг. Снабжают паспортом с указанием условного обозначения электродов, рекомендуемых режимов свар­ки, требований к влажности покрытия, режима повторной прокалки и свойств наплавленного металла.

ГОСТ 9466-75 предусматривает классификацию покрытых элек­тродов (рис. 5.8).

ГОСТ 9467-75

Области применения электродов в современной промышленности чрезвычайно широки, поэтому электроды по назначению различаются:

• для сварки углеродистых и низколегированных сталей с вре­менным сопротивлением аи < 600 МПа - условное обозначе­ние У;

• для сварки легированных конструкционных сталей с ов > 600 МПа - Л;

• для сварки теплоустойчивых сталей - Т;

• для сварки высоколегированных сталей с особыми свойства­ми - В;

• для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами - Н,

Тип электрода. Для электродов назначения У и Л (ГОСТ 9467-75)

обозначение включает в себя букву Э (электрод) и цифры, обознача­ющие среднее значение временного сопротивления разрыву металла, наплавленного этими электродами. Примером могут служить элект­роды Э38, Э42А, Э50А и так до Э150. Для теплоустойчивых сталей (Т) ГОСТ регламентирует химический состав наплавленного метал­ла (пример Э-12ХМФ), Типы электродов назначения В регламенти­рует ГОСТ 10052-75. Обозначение: Э-08Х18Н11МЗ.

Электроды всех назначений и типов подразделяются на марки. Последние не определяются государственными стандартами. Марки присваиваются достаточно бессистемно фирмами-разработчиками данного электрода, Марка может определять состав как стержня, так и покрытия.

Г1о толщине покрытия электроды делятся на ряд групп (с тонким покрытием - индекс М, средним - С, толстым - Д, особо толстым - Г), Группы качества определяют: точность изготовления, состояние поверхности покрытия и содержание серы и фосфора в наплавлен­ном металле (всего групп три -1,2, 3), Группа индексов (EXYZZ') подробно информирует о механических характеристиках наплав­ленного металла. В зависимости от назначения (типа) электродов параметры этих характеристик могут быть различны (временное сопротивление разрыву, удлинение, температура перехода в хруп­кое состояние и др.).

Вид покрытия зависит от его состава. Индекс А - кислое; Б - ос­новное: Ц - целлюлозное: Р - рутиловое. Пространственное положе­ние отражает возможность применения той или иной марки электро­дов по группам. Например: универсальные (все пространственные положения) - индекс 1 и т. д. Отмечается также род и полярность тока. Иными словами, предложенная классификация дает полную комплексную информацию об электродах. Приведем ее для широко распространенных в судостроении электродов:

Э46-УО Н И -1 3/45-3,0-УД 2 ГОСТ 9466-75

Е - 432(л)- Б 10 ГОСТ 9467-75

В рабочей технологии, как правило, такая запись не нужна и она упрощается до

УОНИ-13/45-3,0-2 ГОСТ 9466-75

Существуют специальные электроды для подводной сварки. Их поверхность покрыта электроизолирующим лаком. Для сварки конст­рукционных низколегированных сталей средней прочности применя­ются электроды марки ЛКИ-1П и ЛКИ-2П. Последние имеют стер­жень из высокоаустенитной проволоки и толстое покрытие рутилового типа, содержащее определенное количество термита.

Химический состав и свойства наплавленного металла некоторых элек­тродов, применяем!,їх для сварки наиболее употребляемых низколегиро­ванных конструкционных сталей, приведены в табл. 5.3; тины и марки некоторых электродов для сварки ряда корпусных и машиностроитель­ных конструкций с указанием области их применения - в табл. 5.4.

Флюсы для дуговой сварки служат для защиты реакционного сва­рочного пространства от газов атмосферы, стабилизации горения дуги и легирования металла шва. Они классифицируются по химическо­му составу, назначению и способу изготовления.

Флюсы могут изготавливаться плавлеными и керамическими. Плавленые флюсы представляют собой сплавы окислов и солей металлов. Упрощенно технология изготовления этих флюсов состоит из следующих этапов: расчет шихты, подготовка компонентов (их размельчение), плавление и обработка готового флюса (грануляция, сушка, просеивание). Плавление флюса проводится в дуговых или пламенных печах. Хорошо выдержанный расплав выпускают для гра­нуляции из печи. Грануляция может быть мокрой или сухой. В пер­вом случае расплав тонкой струей выпускается в емкость с водой, где он и затвердевает в виде нитей и зерен различной величины. После сушки (250.„350 °С) его дробят и просеивают на ситах с разным ко­личеством отверстий, отсеивая мелкую фракцию от более крупной. В зависимости от химического состава флюса цвет зерен меняется от светло-серого до коричневого и черного. Температура выпуска струи расплава и химсостав флюса определяют вид зерен: они могут иметь стекловидное и пемзовидное строение. Плавленые флюсы классифи­цируют по назначению, химической активности шлака, химическо­му составу.

Для сварки подавляющего большинства низкоуглеродистых и низ­колегированных сталей, меди и ее сплавов применяются обычно кис­лые кремнисто-марганцевистые флюсы, содержащие большое коли­чество SiO, и МиО. Химическая активность флюсов (шлаков), т. е. их способность окислять, легировать, рафинировать, непосредствен­но связана с составом основного металла и электродной (присадоч­ной) проволоки. Поэтому для сварки стали определенного состава комплексно выбирают системы флюс - проволока. Отсюда и назна­чение флюсов - каждый выбирается для сварки определенных мате­риалов. В табл. 5.5 приведены некоторые типичные примеры выбора таких систем.

Строение зерен флюса отражается в наименовании его марки: П - пемзовидный; С - стекловидный. Если зерна флюса имеют размер 0,1...1,6 мм, то к марке добавляют букву М. Наиболее распространен­ными флюсами для сварки низкоуглероднстых и низколегирован­ных судостроительных сталей являются кислые кремнемарганцевис- тые флюсы марок ОСЦ-45 и АН-348А.

Керамические флюсы, прежде всего, отличаются способом изго­товления. Технология их изготовления весьма схожа с технологией изготовления покрытий (особенно в первой ее части). Состав их мо­жет быть различен. После тщательного смешивания сухой шихты и приготовления замеса последний продавливается через сито, обра­зуя частички определенных размеров. Затем они обжигаются в печи, приобретая прочность. Эти флюсы позволяют относительно легко ле­гировать шов, добавляя во флюс порошки любых металлов или лига­тур. Часто применяются для наплавки поверхностных слоев с особы­ми свойствами.

Положительным является возможность изготовления небольших партий любого химического состава. Отрицательным - трудность получения равномерного химического состава шва из-за возможной сепарации частичек различного удельного веса при приготовлении замеса и относительная дороговизна флюса.

Защитные газы, применяемые при сварке, делятся на активные и пассивные.

Ярким представителем активных газов является углекислота СО. Углекислота для сварки изготавливается по ГОСТ 8050-76 (уг­лекислота сварочная). Она поставляется 1 и II сортов и отличается от пищевой углекислоты нормированием содержания паров воды (соответственно 0,178 и 0,515 Н,0 в 1 м' СО,). В исключительных случаях возможно применение пищевой углекислоты при условии

тщательного осушения имеющейся в баллоне влаги. Углекислоту транспортируют и хранят в баллонах или цистернах большой емко­сти в жидком состоянии с последующей газификацией и снабжени­ем сварочных постов через рампу. Баллон емкостью 40 л содержит 25 кг СОг дающего при испарении 12,5 м1 при давлении 760 мм рт. ст. Баллон окрашен в черный цвет с надписью желтого цвета.

При выборе системы С02 - сварочная проволока следует иметь в виду наличие большого количества свободного кислорода, обра­зующегося в дуговом промежутке за счет диссоциации молекулы С02 -> СО + О. Свободный кислород способствует окислению ле­гирующих элементов, что делает необходимым их компенсацию че­рез проволоку. В низколегированных сталях такими элементами являются Si и Мп, сродство которых с кислородом весьма велико. Поэтому для сварки таких сталей как 09Г2 или 10ХСНД в СО,2 нельзя применять проволоку Св-08А; наиболее широко здесь применяется проволока Св-08Г2С (или другая марка, содержащая в своем соста­ве компенсируемые элементы).

К инертным газам, применяемым при сварке, относятся аргон, ге­лий и их смеси. Эти газы не вступают в реакцию с любым из расплав­ленных металлов и практически не растворяются в них. Они облада­ют весьма различными свойствами, что и определяет особенности формирования швов, в них выполненных. Так, плотность аргона (1,78 кг/м') на порядок больше плотности гелия (0,178 кг/м‘), тепло­проводность гелия (0,1386 Вт/см - К), значительно больше (как и по­тенциал ионизации), чем у аргона (0,046 Вт/см • К).

Аргон производится при получении кислорода из воздуха (его со­держание в воздухе составляет 0,935% объема). После надлежащей очистки, аргоном заполняются стальные баллоны емкостью 40 л под давлением 150-10"’ Па. При весьма высоком расходе аргона экономи­чески целесообразно поставлять аргон в жидком виде (его Гк1ш = = -185,5 °С). Таким он хранится в сосудах типа Дьюара значительной вместимости. Так, в выпускаемых отечественной промышленностью автомобильных газификационных установках АГУ-2М с резервуаром емкостью 1,4 м' можно хранить и транспортировать жидкий аргон, кислород и азот при температуре окружающей среды от +50 до -40 °С. Эти установки позволяют работать в режиме газификации на трубо­провод либо на заполнение баллонов. Существуют автомобильные ус­тановки большой емкости АНУ-8К и железнодорожные емкости-цис­терны тина 8Г-5Ц (объем последней 34 м в нее входит 32 т газа).

По ГОСТ 10157-79 аргон выпускается высшего сорта (99,99%) и первого (99,98%). Гелий из-за особенности своих теплофизи-

ческих свойств изменяет условия провара и формирование шва, увеличивая его ширину и делая проплавление более плавным по сравнению с аргоном (рис. 5.9). В воздухе содержание гелия чрез­вычайно мало, его получают из природных газов методом фракци­онной перегонки.

Промышленность поставляет гелий в соответствии с ГОСТ 20461-75 трех сортов: марок А (99,993%), Б и В (99,990%). Поставляется в сталь­ных баллонах водяной емкостью 40 л при давлении 150 ■ 10’ Па. Цвет баллона коричневый, надпись белого цвета. Как и аргон, может по­ставляться в сжиженном виде. В связи с тем, что гелии легче аргона в 10 раз, его расход при сварке увеличивается в 1,5-3 раза. Гелий доро­же аргона из-за большей сложности его получения.

Часто применяют смеси аргона и гелия, а также смеси аргона и углекислого газа в различных пропорциях. Такие смеси могут значи­тельно изменять условия формирования сварного шва и широко при­меняются в промышленности.

Практически возможно составление сложных многокомпонен­тных газовых смесей любого состава. Это позволяет за счет изме­нения теплофизических параметров смеси регулировать парамет­ры проплавлення и формирования шва, а также повышать произво­дительность и качество сварных соединений. Так, смеси, содержа­щие гелий, улучшают проплавление металла, изменяют его форму и увеличивают производительность процесса. Применение газо­вых смесей при полуавтоматической сварке плавящимся электро­дом уменьшает разбрызгивание, не требует последующей зачист­ки перед покраской. Наиболее универсальная газовая смесь при сварке плавящимся электродом (К-2) для сварки конструкцион­ных сталей состоит из 82% Аг и 18% СО.. Смесь К-3 состоит из 92 % Аг, 6% СО, и 2% О,. Эти смеси разработаны для сварки лнсто-

ж

вого материала, дают стабильно горящую дугу с низким разбрыз­гиванием, обеспечивают небольшое усиление шва с гладким про­филем и глубоким проваром. Газовая смесь НП-1 состоит из 85% Не, 13,5% Аг и 1,5% СО,. Дает чистые швы с гладким профилем и обеспечивает получение поверхности шва практически без окис­ления. Хорошо подходит для сварки тонких материалов за счет возможности получения высоких скоростей сварки, что обеспе­чивает низкие деформации. Смесь НП-3 состоит из 38% Не, 60% Аг и 2% СО. г Обеспечивает высокую стабильность дуги, низкий уровень разбрызгивания, рекомендуется для сварки толщин более 10 мм. Универсальной газовой смесью является смесь НП-2, со­стоящая из 55% Не, 43% Аг и 2%СО,2; она подходит для сварки мате­риала любой толщины.