ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

РУЧНАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЭЛЕКТРОДАМИ С ПОКРЫТИЕМ

Под техникой сварки обычно понимают приемы манипулирова­ния электродом или горелкой, выбор режимов сварки, приспо­соблений и способы их применения для получения качественного шва и т. п. Качество швов зависит не только от техники сварки, по и от других факторов, таких как состав и качество применя­емых сварочных материалов, состояние свариваемой поверхности, качество подготовки и сборки кромок под сварку и т. д.

В зависимости от формы и размеров изделия швы можно сваривать в различных пространственных положениях. Условно их разделяют на нижние, вертикальные, потолочные и горизон­тальные (рис. 10). Горизонтальные швы — швы, выполняемые на вертикальной плоскости в горизонтальном направлении. В практике сварочного производства существуют еще понятия «сварка в полувертикальном положении» (когда угол между горизонтом и плоскостью листов равен 30—60°), «сварка в полу- потолочном положении» (угол между горизонтом и плоскостью листов равен 120—150°). - —

Дуговая сварка металлическими электродами с покрытием в настоящее время остается одним из самых распространенных методов, используемых при изготовлении сварных конструкций. Ото объясняется простотой и мобильностью применяемого обо­рудования, возможностью выполнения сварки в различных про­странственных положениях и в местах, труднодоступных для механизированных способов сварки.

Существенный недостаток ручной дуговой сварки металли­ческим электродом, так же как и других способов ручной сварки, — малая производительность процесса и зависимость качества свар­ного шва от практических навыков сварщика^ В первые годы применения дуговой сварки использовались металлические элек­троды с тонким ионизирующим покрытием, повышающим ста­бильность дуги. Однако свойства металла шва при этом были низкими. Поэтому в настоящее время подобные электроды для сварки практически не применяют.

1 — металлический стержень; 2 — покрытие электрода; з — газовая атмосфера дуги; 4 — сварочная ванна; 5 — затвердевший шлак; 6 — закристаллизовавшийся металл шва; 7 — основной металл (изделие); 8 — капли рас­плавленного электродного металла; 9 — глу­бина проплавления

Сущность способа. ЛЇ электроду и свариваемому изделию Для образования и поддержания сварочной дуги от источников сварочного тока подводится постоянный или переменный свароч­ный ток (рис. 11). Дуга расплавляет металлический стержень электрода, его покрытие и основной металл. Расплавляющийся металлический стержень электрода в виде отдельных капель, покрытых шлаком, переходит в сварочную ванну. В сварочной ванне электродный металл смешивается с расплавленным метал­лом изделия (основным металлом), а расплавленный шлак всплы­вает на поверхность. ^ .—

Глубина, па которую расплавляется основной металл, назы­вается глубиной проплавлення. Она зависит от режима сварки (силы сварочного тока и диаметра электрода), пространственного положения сварки, скорости перемещения дуги по поверхности изделия (торцу электрода и дуге сообщают поступательное дви­жение вдоль направления сварки и поперечные колебания), от конструкции сварного соединения, формы и размеров разделки свариваемых кромок и т. п. Размеры сварочной ванны зависят от режима сварки и обычно находятся в пределах: глубина до 7 мм, ширина 8—15 мм, длина 10—30 мм. Доля участия основного ме­талла в формировании металла шва (см. гл. III) обычно состав­ляет 15—35%.

Расстояние от активного пятна на расплавленной поверхности электрода до другого активного пятна дуги на поверхности сва­рочной ванны называется длиной дуги. Расплавляющееся покры­тие электрода образует вокруг дуги и над поверхностью сварочной илппы газовую атмосферу, которая, оттесняя воздух из зоны сварки, препятствует взаимодействиям его с расплавленным ме­таллом. II газовой атмосфере присутствуют также пары основного

ІН

it электродного металлов и легирующих элементов. Шлак, иокры - II,.л капли электродного металла и поверхность расплавленного металла сварочной ванны, способствует предохранению их от контакта с воздухом и участвует в металлургических взаимодей­ствиях с расплавленным металлом.

Кристаллизация металла сварочной ванны по мере удаления дуги приводит к образованию шва, соединяющего свариваемые детали. При случайных обрывах дуги или при смене электродов кристаллизация металла сварочной ванны приводит к образова­нию сварочного кратера (углублению в шве, по форме напоминаю­щему наружную поверхность сварочной ванны). Затвердевающий шлак образует на поверхности шва шлаковую корку.

Ввиду того что от токоподвода в электрододержателе сварочный ток протекает по металлическому стержню электрода, стержень разогревается. Этот разогрев том больше, чем дольше протекание по стержню сварочного тока и чем больше величина последнего. Перед началом сварки металлический стержень имеет температуру окружающего воздуха, а к концу расплавления электрода темпе­ратура повышается до 500—600° С (при содержании в покрытии органических веществ — не выше 250° С)./Это приводит к тому, что скорость расплавления электрода (количество расплавлен­ного электродного металла) в начале и конце различна. Изменяется и глубина проплавления основного металла ввиду изменения условий теплопередачи от дуги к основному металлу через про­слойку жидкого металла в сварочной ванне. В результате изменя­ется соотношение долей электродного и основного металлов, участвующих в образовании металла шва, а значит, и состав и свойства металла шва, выполненного одним электродом. Это — один из недостатков ручной дуговой сварки покрытыми электро­дами.

Зажигание и поддержание дуги. Перед зажиганием (возбуж­дением) дуги следует установить необходимую силу сварочного тока, которая зависит от марки электрода, пространственного положении сварки, типа сварного соединения и др. (см. гл. V). Зажигать дугу можно двумя способами. При одном способе элек­трод приближают вертикально к поверхности изделия до касания металла и быстро отводят вверх на необходимую длину дуги. При другом — электродом вскользь «чиркают» по поверхности металла. Применение того или иного способа зажигания дуги зависит от условий сварки и от навыка сварщика.

Длина дуги зависит от марки и диаметра электрода, простран­ственного положения сварки, разделки свариваемых кромок и т. п. Нормальная длина дуги считается в пределах 1Д = (0,5 - Ь - - т - 1,1)фш (с? эл — диаметр электрода). Увеличение длины дуги сни­жает качество наплавленного металла шва ввиду его интенсивного окисления и азотирования, увеличивает потери металла на угар и разбрызгивание, уменьшает глубину проплавления основного металла. Также ухудшается внешний вид шва,

Во время ведения процесса сварщик обычно перемещает электрод не менее чем в двух направлениях. Во-первых, он подает электрод вдоль его оси в дугу, поддерживая необходимую в зави­симости от скорости плавления электрода длину дуги. Во-вторых, перемещает электрод в направлении наплавки или сварки для образования шва. В этом случае образуется узкий валик, ширина которого при наплавке равна примерно (0,8 ч - 1,5) с! эл и зависит от силы сварочного тока и скорости перемещения дуги по поверх­ности изделия. Узкие валики обычно накладывают при проваре корня шва, сварке тонких листов и тому подобных случаях.

При правильно выбранном диаметре электрода и силе свароч­ного тока скорость перемещения дуги имеет большое значение для качества шва. При повышенной скорости дуга расплавляет основ­ной металл на малую глубину и возможно образование непроваров. При малой скорости вследствие чрезмерно большого ввода теплоты дуги в основной металл часто образуется прожог, и расплавленный металл вытекает из сварочной ванны. В некоторых случаях, например при сварке на спуск, образование под дугой жидкой прослойки из расплавленного электродного металла повышенной толщины, наоборот, может привести к образованию непроваров.

Иногда сварщику приходится перемещать электрод поперек шва, регулируя тем самым распределение теплоты дуги поперек шва для получения требуемых глубины проплавления основного металла и ширины шва. Глубина проплавлення основного металла и формирование шва главным образом зависят от вида поперечных колебаний электрода, которые обычно совершают с постоянными частотой и амплитудой относительно оси шва (рис. 12). Траектория движения конца электрода зависит от пространственного положе­ния сварки, разделки кромок и навыков сварщика. При сварке с поперечными колебаниями получают уширенный валик, ширина которого обычно составляет (2 - г- 4) dBjI, а форма проплавления зависит от траектории поперечных колебаний конца электрода, т. е. от условий ввода теплоты дуги в основной металл.

При окончании сварки — обрыве дуги следует правильно заварить кратер. Кратер является зоной с наибольшим количе­ством вредных примесей ввиду повышенной скорости кристалли­зации металла, поэтому в нем наиболее вероятно образование трещин. По окончании сварки не следует обрывать дугу, резко отводя электрод от изделия. Необходимо прекратить все пере­мещения электрода и медленно удлинять дугу до обрыва; расплав­ляющийся при этом электродный металл заполнит кратер. При сварке низкоуглеродистой стали кратер иногда выводят в сторону от шва — на основной металл. При случайных обрывах дуги или при смене электродов дугу возбуждают на еще не расплавлен­ном основном металле перед кратером и затем проплавляют ме­талл в кратере.

Положение электрода относительно поверхности изделия и пространственное положение сварки оказывают большое влияние
ии форму шва и проплавле­ние основного металла (рис.

13). При сварке углом назад улучшаются условия оттес­нения из-под дуги жидкого металла, толщина прослой­ки которого уменьшается.

Мри этом улучшаются усло­вия теплопередачи от дуги к основному металлу и растет глубина его проплавления. То же наблюдается при сварке шва на подъем на наклонной или вертикальной плоскости. При сварке углом вперед или на спуск расплавленный металл сварочной ванны, подтекая под дугу, ухудшает теплопередачу от нее к основному металлу — глубина проплавлення уменьшается, а ши­рина шва возрастает (сечения швов на рис. 13).

При прочих равных условиях количество расплавляемого электродного металла, приходящегося на единицу длины шва, остается постоянным, но распределяется на большую ширину шва и поэтому высота его усиления уменьшается. При наплавке или сварке тонколистового металла (толщина до 3 мм) для уменьшения глубины провара и предупреждения прожогов рекомендуется

Vet

У77Я77Ш777777/.

І *

швы и кромки следует тщательно очищать от шлака и брызг металла.

Заполнять разделку промок можно швами с шириной на всю раз­делку или отдельными валиками (рис. 15). В многопроходных швах последний валик (11 на рис. 15, е) для улучше­ния внешнего вида ино­гда можно выполнять на всю ширину разделки (декоративный слой).

Сварку швов с X - или U-образным скосом кромок выполняют в общем так же, как и с V-образным скосом. Однако для уменьшения остаточных деформаций и напряжений, если это возможно, сварку ведут, накладывая каждый валик или слой попеременно с каждой стороны. Швы с X - или U-образным скосом кромок по сравнению с V-образным имеют преимущества, так как в первом случае в 1,6—1,7 раза уменьшается объем наплавленного металла (повы­шается производительность сварки). Кроме того, уменьшаются угловые деформации, а возможный непровар корня шва образуется в нейтральном по отношению к изгибающему моменту сечении. Недостаток U-образного скоса кромок — повышенная трудоем­кость его получения.

Сварку стыковых швов можно выполнять различными способа­ми (рис. 16). При сварке на весу наиболее трудно обеспечить про­вар корня шва и формирование хорошего обратного валика по

Г

О)

В)

Рис. 16. Схемы сварки:

а — на весу; б — на медной съемной подкладке; е — на остающейся стальной подкладке; г — с предварительным подварочным швом; 8 — удаление непровара в корне шва для последующей подварки;

1 — медная подкладка; г — остающаяся подкладка; О — основной шов; П — подварочный шов

с

всей длине стыка. В этом отношении более благоприятна сварка на съемной медной или остающейся стальной подкладке. В медной подкладке для формирования обратного валика делают формирую­щую канавку. Однако для предупреждения вытекания расплав­ленного металла из сварочной ванны необходимо плотное поджа - тие подкладок к свариваемым кромкам. Кроме того, остающиеся подкладки увеличивают расход металла и не всегда технологичны. При использовании медных подкладок возникают трудности точной установки кромок вдоль формирующей канавки.

Если с обратной стороны возможен подход к корню шва и до­пустимо усиление обратной стороны шва, целесообразна (рис. 16, г) подварка корня швом небольшого сечения с последующей укладкой основного шва. В некоторых случаях при образовании непроваров в корне шва после сварки основного шва дефект в корне разделы­вают газовой, воздушно-дуговой строжкой или механическими методами (рис. 16, д) с последующим выполнением нодварочного шва.

Сварку угловых швов в нижнем положении можно выполнять двумя приемами. Сварка вертикальным электродом в лодочку (рис. 17, а) обеспечивает наиболее благоприятные условия для провара корня шва и формирования его усиления. По существу этот прием напоминает сварку стыковых швов с V-образным скосом кромок, ток как шов формируется между свариваемыми поверхностями. Однако при этом способе требуется тщательная
спорка соединения под гн. ірку с минимальным зазором в стыке для предупреждения выте­кая ИЯ в него расплав­ленного металла.

При сварке наклон­ным электродом (рис. 17, б — г) трудно обе­спечить провар шва по нижней плоскости (вви-

ду натекания на нее

расплавленного металла) и предупредить подрез на вертикальной плоскости (ввиду стенания расплавленного металла). Поэтому таким способом обычно сваривают швы с катетом до G—8 мм. При сварке угловых швов наклонным электродом трудно также обеспечить глубокий провар в корне шва, поэтому в односторонних или двусторонних швах без скоса кромок может образоваться непровар (рис. 18, а), который при нагружении шва послужит началом развития трещин. Для предупреждения этого в ответст­венных соединениях при толщине металла 4 мм и более необходим односторонний скос, а при толщине 12 мм и более — двусторонний скос кромок.

При сварке наклонным электродом многопроходных швов первым выполняют шов на горизонтальной плоскости (рис. 18, б). Формирование последующего валика происходит с частичным удержанием расплавленного металла сварочной ванны нижеле­жащим валиком. При сварке угловых швов применяют поперечные колебания электрода. Особенно важен правильный выбор их траектории при сварке наклонным электродом с целью преду­преждения возникновения указанных выше дефектов.

Техника сварки на горизонтальной и потолочной плоскостях. Сварка швов в положениях, отличающихся от нижиего, требует повышенной квалификации сварщика в связи с возможным под действием сил тяжести вытеканием расплавленного металла из сварочной ванны или падением капель электродного металла мимо сварочной ванны. Для предотвращения этого сварку сле­дует вести по возможности наиболее короткой дугой, в большинстве случаев с поперечными колебаниями.

Расплавленный металл в сварочной ванне от вытекания удер­живается в основном силой поверхностного натяжения. Поэтому необходимо уменьшать ее размер, для чего конец электрода периодически отводят в сторону от ванны, давая возможность ей частично закристаллизоваться. Ширину валиков также умень шают до двух-трех диаметров электродов. Применяют пониженную на 10—20% силу тока и электроды уменьшенного диаметра (для вертикальных и горизонтальных швов не более 5 мм, для потолочных не более 4 мм).

Рис. 19. Положение электрода при сварке швов:

о — вертикальных; б — потолочных; в — горизонтальных

Сварку вертикальных швов можно выполнять на подъем (снизу вверх, рис. 19, а) или на спуск. При сварке на подъем нижележащий закристаллизовавшийся металл шва помогает удержать расплавленный металл сварочной ванны. При этом способе облегчается возможность нровара корпя шва и кромок, так как расплавленный металл стекает с них в сварочную ванну, улучшая условия теплопередачи от дуги к основному металлу. Однако внешний вид шва — грубочешуйчатый. При сварке на спуск получить качественный провар трудно: шлак и расплавленный металл подтекают под дугу и от дальнейшего сте­нания удерживаются только силами давления дуги и поверхност­ного натяжения. В некоторых случаях их оказывается недоста­точно, и расплавленный металл вытекает из сварочной ванны.

Сварка горизонтальных стыковых швов (рис. 19, в) более затруднена, чем вертикальных, из-за стекания расплавленного металла из сварочной ванны на нижнюю кромку. В результате возможно образование подреза по верхней кромке. При сварке металла повышенной толщины обычно делают скос только одной верхней кромки, нижняя помогает удерживать расплавленный металл в сварочной ванне. Сварка горизонтальных угловых швов в нахлесточных соединениях не вызывает трудностей и по технике не отличается от сварки в нижнем положении.

Сварка швов в потолочном положении (рис. 19, б) наиболее слоиша и ее по возможности следует избегать. Сварку выполняют периодическими короткими замыканиями конца электрода на сварочную ванну, во время которых металл сварочной ванны частично кристаллизуется, что уменьшает объем сварочной ванны. И то же время расплавленный электродный металл вносится в сварочную ванну. При удлинении дуги образуются подрезы. При сварке этих швов ухудшены условия выделения из расплав­ленного металла сварочной ванны шлаков и газов. Поэтому свой­ства металла шва несколько ниже, чем при сварке в других про - страис твои пых положениях.

Техника сварки пробочных и прорезных соединений практи­чески не отличается от рассмотренной выше техники сварки стыковых пли угловых швов.

г) Q е)

Рис. 20. Сварка швов:

а — на проход; б — от середины к концам; в — обратноступенчато; г — блоками; о — каскадом; є — горкой; А — направление заполнения разделки. Стрелками указаны по­следовательность и направление сварки в каждом слое (і—5)

В зависимости от протяженности шва, толщины и марки метал­ла, жесткости конструкции и т. д. применяют различные приемы последовательности сварки швов и заполнения разделки (рис. 20). Сварку напроход обычно применяют при сварке коротких швов (до 500 мм). Швы длиной до 1000 мм лучше сваривать от середины к концам или обратпоступенчатым методом. При последнем спо­собе весь шов разбивают на участки по 150—200 мм, которые должны быть кратны длине участка, наплавляемого одним электро­дом. Сварку швов в ответственных конструкциях большой тол­щины выполняют блоками, каскадом или горкой, что позволяет влиять на структуру металла шва и сварного соединения и его механические свойства.

Способы повышения производительности. Применение элек­тродов диаметром более 8 мм обычно не позволяет повысить про­изводительность процесса, так как увеличивающийся при этом вес электрода и держателя (в связи с повышением силы сварочного тока) приводит к быстрому утомлению сварщика. То же наблюдается при ручной дуговой сварке трехфазной дугой. Эти способы могут находить ограниченное применение при ванной сварке стержней арматуры железобетонных конструкций. Однако и здесь пред­почтительнее применение одно­го электрода.

При ванной сварке расплав­ление основного металла осу­ществляется дугой и частично за счет теплоты, передаваемой изделию перегретым жидким металлом сварочной ванны (рис. 21). Поэтому сварку про - рис 21. Сборка под ванною сварку

водят при повышенной силе горизонтальных стержней арматуры:

тока. Стык стержней собирают j — стержни; г ~~ форма; з — прихватки
с зазором в формах: стальной остающейся (из металлической по­лосы) или медной съемной многократного использования, или графитовой одноразового использования.

Сварку начинают в нижней части формы, расплавляя дугой нижние кромки стыка. До окончания сварки металл в верхней части сварочной ванны стараются поддерживать в расплавленном состоянии на возможно большую глубину и обязательно на всю ширину разделки и формы. Шов наплавляют несколько выше поверхности стержней. Процесс проводят вручную, хотя и были попытки создания установок для механизированной сварки, в которых расплавление электрода происходило автоматически, а их смена выполнялась вручную. Однако установки оказались сложными в эксплуатации и малопроизводительными.

Повышение производительности процесса достигается также применением электродов, содержащих в покрытии железный порошок (см. гл. III). С применением этих электродов сварка возможна только в нижнем положении, так как при сварке в дру­гих пространственных положениях увеличенный размер свароч­ной ванны приводит к вытеканию из нее расплавленного металла. Техника сварки швов в нижнем положении также усложняется по этой причине, но принципиально не отличается от сварки обычными электродами.

При сварке с глубоким нроваром (другие названия: опиранием электрода, погруженной дугой и т. д.) повышение производитель­ности сварки достигается за счет более глубокого проплавления основного металла. Сварку выполняют специальными электро­дами, дающими при их расплавлении козырек повышенных раз­меров, на который и опирают электрод (см. рис. 70). Сварщик, удерживая электрод под углом 70—85° к поверхности изделия, перемещает его вдоль свариваемых кромок без попереч­ных колебаний. Используется максимально допустимый ток. Выделяющиеся при расплавлении электрода газы, оттесняя расплавленный металл сварочной ванны из-под дуги, увеличивают глубину проплавлепия, которая регулируется изменением угла наклона электрода и скоростью его перемещения. Сварку выпол­няют в нижнем положении стыковых и угловых швов.

При способах сварки лежачим и наклонным электродами также применяют специальные электроды, расплавление покрытия которых, образуя козырек определенных размеров, предупреждает короткое замыкание дуги. Повышение производительности труда достигается за счет того, что один сварщик одновременно обслу­живает несколько дуг. Лежачим электродом (рис. 22, а) сваривают стыковые и нахлесточные соединения и угловые швы на стали толщиной 0,5—6 мм. Используют электроды диаметром 2,5—8 мм и длиной до 2000 мм. Электрод укладывают на стык, подлежащий сварке, и накрывают сверху массивным медным бруском, изолированным бумагой от изделия, для предупреждения возмож­ного обрыва дуги из-за деформации электрода при его расплав­
лении. Дугу зажигают замыканием рабочего конца электрода угольным стержнем или металлическим электродом и перемещают по мере расплавления электрода.

Для сварки этим способом удобнее использовать специальные станки. Этот способ сварки может быть использован для сварки неповоротных стыков труб, т. е. сварки шва в различных простран­ственных положениях. Для направления дуги в корень шва и управления переносом электродного металла в сварочную ванну, а также для удержания расплавленпого металла сварочной ванны от вытекания в различных пространственных положениях используют создаваемое внешними электромагнитами специальной конструкции магнитное поле.

Способ сварки наклонным электродом (рис. 22, б) разработан в СССР в середине 30-х годов. В настоящее время его применяют за границей под названием гравитационная сварка. При сварке электрод закрепляют в штативе, устанавливаемом на поверхность изделия, через изолирующую подкладку; по мере его оплавления он опускается с обоймой под действием веса. Токоподвод осущест­вляется непосредственно к электроду или обойме. Глубину про­плавления и ширину шва регулируют изменением угла наклона электрода а.

В практике в небольшом объеме находят применение уста­новки для механизированной дуговой сварки металлическими электродами с покрытием (штучными). В них поддержание дуги и ее перемещение вдоль свариваемых кромок происходит автомати­чески. Электроды сменяют вручную при остановке перемещения автомата или без его остановки. Повышение производительности процесса сварки достигается за счет обслуживания сварщиком двух установок и более.

Техника сварки кольцевых стыков труб. Сварка кольцевых стыков трубопроводов имеет некоторые специфические особенности. Обычно сваркой выполняют швы на трубах диаметром от десятков миллиметров до 1440 мм при толщине стенки до 16 мм и более. При толщине стенки труб из низкоуглеродистых и низколегиро­ванных сталей до 8—12 мм сварку можно выполнять в один слой. Однако многослойные швы имеют повышенные механические свойства, определяемые положительным влиянием термического цикла последующего шва на металл предыдущего шва,

поэтому сварку труб преимущественно выполняют в два слоя и бо­лее. Рекомендуемое число слоев шва зависит от толщины стенки.

Толщина стенки (мм) . 4 5 6—9 10—12 13—15

Число слоев (не менее) ........................... 2 3 4 5

Наиболее распространена сварка труб с V-образной разделкой кромок с суммарным углом скоса кромок 50—60°. Перед сваркой стыки собирают в специальном приспособлении или на прихватках:

Внутренний диаметр

трубы, мм................. Менее 150—200 250—400 500 600 800 1000

150 н более

Минимальное число

прихваток 2 3 3 3—4 5—6 Одна на

450 мм шва

Длина прихваток, мм 30 35 50 60—70 70—80 80—100

Стыки труб можно сваривать в поворотном, когда трубу можно вращать, или в неповоротпом положении. Сварку швов первого типа выполняют обычно в нижнем положении без особых трудностей, хотя сложно проварить корень шва, так как его формирование ведется чаще всего на весу. Сварка неповоротного стыка требует высокой квалификации сварщика, так как весь шов выполняют в различных пространственных положениях. Можно сваривать двумя способами: каждое полукольцо сверху вниз или снизу вверх. Первый способ возможен при использовании электро­дов диаметром 4 мм, дающих мало шлака (с органическим покры­тием), короткой дугой с опиранием образующегося на конце электрода козырька на кромки без поперечных колебаний электро­да или с небольшими его колебаниями. При сварке снизу вверх процесс ведут со значительно меньшей скоростью с поперечными колебаниями электрода диаметром 3—5 мм.