«В.И. Васильев, Д.П. Ильященко, Н.В. Павлов ВВЕДЕНИЕ В ОСНОВЫ СВАРКИ Рекомендовано в качестве учебного пособия Научно-методическим советом Юргинского технологического института (филиала) Томского политехнического ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального

образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ЮРГИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

В.И. Васильев, Д.П. Ильященко, Н.В. Павлов

ВВЕДЕНИЕ В ОСНОВЫ СВАРКИ

Рекомендовано в качестве учебного пособия Научно-методическим советом Юргинского технологического института (филиала) Томского политехнического университета Издательство Томского политехнического университета УДК 621.791(075) ББК 34.641я В Васильев В.И.

В19 Введение в основы сварки: учебное пособие / В.И. Васильев, Д.П. Ильященко, Н.В. Павлов; Юргинский технологический институт – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. – 338 с.

В пособии рассмотрены теоретические основы сварки, сущность процессов, оборудование, сварочные материалы для ручной дуговой сварки, автоматической сварки под флюсом и механизированной сварки.

Описаны технология сварки различных сталей и сплавов, цветных металлов и чугунов. Показаны различные виды дефектов и способы их устранения. Описаны особенности интегрированной системы обучения ЮТИ ТПУ.

Учебное пособие предназначено для студентов высших технических заведений обучающихся по направлению «Машиностроение» и слушателей курсов повышения квалификации по технологии сварочного производства.

УДК 621.791(075) ББК 34.641я Рецензенты Доктор технических наук, профессор ЮТИ ТПУ С.Б. Сапожков Директор АП ССР-2ГАЦ-ЗАП «Юргинский», почетный работник высшего профессионального образования Российский Федерации, доцент Ю.М. Бубенщиков © Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета, © Васильев В.И., Ильященко Д.П., Павлов Н.В., © Оформление. Издательство Томского политехнического университета,

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Часть Глава 1. Виды и способы сварки и сварные соединения 1.1. Понятие о сварке и ее сущности 1.2. Классификация видов сварки 1.3. Основные разновидности дуговой сварки 1.4. Сварные соединения и швы 1.5. Условные изображения и обозначения швов сварных соединений Глава 2. Электрическая дуга и ее применение для сварки 2.1. Природа сварочной дуги 2.2. Особенности дуги на переменном токе 2.3. Технологические свойства дуги Глава 3. Тепловые процессы при дуговой сварке 3.1. Сварочная дуга как источник нагрева 3.2. Плавление металла электрода и его перенос в дуге при сварке 3.3. Производительность процесса дуговой сварки Глава 4. Нагрев свариваемого металла 4.1. Общие сведения о нагреве металла при сварке 4.2. Формирование сварочной ванны 4.3. Параметры режима дуговой сварки и их влияние на форму и размеры сварочной ванны Глава 5. Основы металлургических процессов при сварке 5.1. Общие сведения и особенности сварочной металлургии 5.2. Основные процессы, протекающие при дуговой сварке 5.4. Образование трещин и газовых пор в металле шва 6.2. Причины возникновения напряжений и деформаций при Часть 9.1. Характеристики источников питания дуги и требования к ним 9.4. Сварочные коллекторные генераторы и преобразователи 9.5. Вспомогательные устройства для источников питания 9.7. Источники питания как энерго и ресурсосберегающий фактор в Глава 10. Оборудование для дуговой автоматической сварки 10.1. Общие сведения и классификация автоматов для дуговой 10.2. Комплектование и основные узлы сварочных автоматов 10.3. Газовая аппаратура, применяемая в автоматах для сварки в 10.4. Классификация механизмов импульсной подачи электродной проволоки при сварке плавящимся электродом в углекислом газе Глава 11. Оборудование для механизированной дуговой сварки 11.1. Общие сведения и классификация сварочных полуавтоматов 11.2. Устройство и основные узлы полуавтоматов 12.3. Режимы ручной дуговой сварки покрытыми электродами 12.4. Технология выполнения ручной дуговой сварки Глава 13. Технология автоматической дуговой сварки под 13.1. Особенности процесса сварки под флюсом Глава 14. Технология автоматической дуговой сварки в 14.2. Классификация методов снижения разбрызгивания при 14.3. Подготовка деталей и режимы сварки в защитных газах 14.5. Разновидности аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом 14.6. Сварка в защитных газах плавящимся электродом 14.7. Сварка с импульсной подачей электродной проволоки в смеси Глава 15. Технология дуговой механизированной сварки 15.1. Общие сведения о технологии механизированной дуговой 15.2. Механизированная сварка порошковой проволокой 15.3. Механизированная сварка открытой дугой самозащитной Часть 16.2. Сварка низкоуглеродистых и низколегированных сталей 16.3. Сварка легированных и закаливающихся сталей 16.4. Сварка высоколегированных сталей и сплавов Глава 18. Дефекты и контроль качества сварных соединений 18.2. Дефекты сварных соединений и причины их возникновений 18.3. Методы неразрушающего контроля сварных соединений 18.4. Методы контроля с разрушением сварных соединений 19.1. Влияние низких температур на качество сварных соединений Глава 20. Технологическая подготовка, механизация и 20.1. Технологичность сварных конструкций и ее отработка 20.3. Технологическое оснащение производства 20.4. Механизация и автоматизация сварочного производства Глава 21. Организация рабочих мест для дуговой сварки Глава 22. Охрана труда, противопожарная безопасность и 22.1. Охрана труда и техника безопасности Часть Глава 23. Инженерно-производственная подготовка студентов 23.2. Цель и основные задачи производственной практики 23.3. Обязанности студентов при прохождении производственной 23.6. Руководство производственной практикой

ПРЕДИСЛОВИЕ

Знание закономерностей процессов, протекающих при сварке плавление, и умение ими управлять – основа рациональной технологии сварки. Закономерности сварки плавлением излагаются в тесной связи со спецификой отдельных ее видов? Дуговой (в различных вариантах), электрошлаковой и др. Наибольшее внимание уделено дуговой сварке, занимающей ведущее положение по сравнению с другими видами сварки. Применение сварки способствует совершенствованию машиностроения и развитию таких отраслей техники как ракетостроение, атомная энергетика, радиоэлектроника и др.

О возможности использования «электрических искр» для плавления металлов еще в 1753 г. говорил академик Российской академии наук Г.В. Рихман, занимавшийся исследованием атмосферного электричества. В 1802 г. профессор Санкт-Петербургской военно-хирургической академии В.В. Петров открыл явление электрической дуги и продемонстрировал возможность ее практического применения. Однако потребовались многие годы совместных усилий ученых и инженеров, направленных на создание источников энергии, необходимых для реализации процесса электрической сварки металлов. Важную роль в этих разработках сыграли открытия и изобретения в области магнетизма и электричества.

В 1882 г. российский ученый-инженер Н.Н. Бенардос, работая над созданием аккумуляторных батарей, открыл способ электродуговой сварки металлов неплавящимся угольным электродом. Им был разработан способ дуговой сварки в защитном газе и дуговая резка металлов.

В 1888 г. российский инженер Н.Г. Славянов предложил проводить сварку плавящимся металлическим электродом. С его именем связано развитие металлургических основ электрической дуговой сварки, разработка флюсов, предназначенных для воздействия на состав металла шва, создание первого электрического генератора.

Затем, в 1907 г., шведский инженер О. Кьельберг разработал электроды из металлического стержня с нанесенным на него специальным покрытием, обеспечившие значительное повышение качества сварных соединений.

В середине 1920-х гг. исследования процессов сварки были начаты во Владивостоке (В.П. Вологдин, Н.Н. Рыкалин, Г.К. Татур, С.А. Данилов), Москве (Г.А. Николаев, К.К. Хренов, К.В. Любавский), Ленинграде (В П. Никитин, А.А. Алексеев, Н.О. Окерблом) и Киеве, где Е.О. Патон организовал в 1929 г. лабораторию, а затем Институт электросварки (ИЭС).

В 1924–1935 гг. в основном применяли ручную сварку электродами с тонкими ионизирующими (меловыми) покрытиями. В эти годы под руководством В.П. Волошина с использованием сварки были изготовлены первые отечественные котлы и корпуса нескольких судов.

В 1935–1939 гг. начали применять покрытые электроды со стержнем из легированной стали, что обеспечило широкое распространение сварки в промышленности и строительстве. В 1940-е гг. была разработана сварка под флюсом, которая позволила повысить производительность процесса и качество сварных соединений, а также механизировать производство сварных конструкций. В начале 1950-х гг. в ИЭС им. Е.О. Патона создают процесс электрошлаковой сварки для изготовления крупногабаритных деталей из литых и кованых заготовок.

Начиная с 1948 г. в промышленности применяются такие способы дуговой сварки в защитных газах, как ручная сварка неплавящимся электродом, механизированная и автоматическая сварка неплавящимся и плавящимся электродами. В 1950–1952 гг. в ЦНИИТМаше при участии МВТУ им. Н.Э. Баумана и ИЭС им. Е.О. Патона был низкоуглеродистых и низколегированных сталей в среде углекислого газа, обеспечивающий высокое качество сварных соединений.

Создание учеными новых концентрированных источников энергии – электронного и лазерного луча – обусловило появление принципиально новых способов сварки плавлением, получивших название электронно-лучевой и лазерной сварки, которые успешно применяются в промышленности. С развитием обитаемых космических станций сварка потребовалась в космосе. Наши космонавты В.Н. Кубасов и Г.С. Шонин в 1969 г. и С.Е. Савицкая и В.А. Джанибеков в 1984 г. провели в космосе сварку, резку и пайку различных металлов.

Одно из наиболее динамично развивающихся направлений в сварочном производстве – широкое использование механизированной и автоматической сварки. Речь идет о механизации и автоматизации как самих сварочных процессов (т.е. о переходе от ручного труда сварщика к механизированному), так и о комплексной механизации и автоматизации, охватывающих все виды работ, связанных с изготовлением сварных конструкций (заготовительные и сборочные и др.) и созданием поточных и автоматических производственных линий.

С развитием техники возникает необходимость в сварке деталей неодинаковой толщины из разных материалов. В связи с этим постоянно расширяется перечень применяемых видов и способов сварки. В настоящее время сваривают детали толщиной от нескольких микрометров (в микроэлектронике) до десятков миллиметров и даже метров (в тяжелом машиностроении). Наряду с конструкционными углеродистыми и низколегированными сталями все чаще необходимо сваривать специальные стали, легкие сплавы, сплавы на основе титана и других металлов, а также разнородные металлы и сплавы.

В условиях непрерывного усложнения конструкций и роста объема сварочных работ важное значение имеет постоянное повышение уровня подготовки – теоретической и практической – квалифицированных специалистов.

Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по интегрированной форме и получающих навыки сварки на первых курсах. Учебный материал базируется на сведениях по химии, физике, технологии материалов и конструкционных материалов, электротехнике и др.

Учебное пособие состоит из четырех разделов, в которых рассмотрены общие сведения о сварке, основы теории сварки плавлением, технология ручной дуговой и механизированной сварки, сварка сталей, чугуна, цветных металлов и сплавов. Завершает учебник список использованной и рекомендуемой для самостоятельного изучения дополнительной литературы.

Глава 1. Виды и способы сварки и сварные соединения Сложные конструкции, как правило, получают в результате объединения между собой отдельных элементов (деталей, агрегатов, узлов). Такие объединения могут выполняться с помощью разъемных или неразъемных соединений.

В соответствии с ГОСТ 2601-74 сварка определяется как процесс получения неразъемных соединений посредствам установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве или пластическом деформировании или совместным действии того и другого. Неразъемные соединения, выполненные с помощью сварки, называют сварными соединениями. Чаще всего с помощью сварки соединяют детали из металлов. Однако сварные соединения применяют и для деталей из неметаллов – пластмасс, керамик или их сочетаний.

Для получения сварных соединений не требуется применения каких-либо специальных соединительных элементов (заклепок, накладок и т.п.). Образование неразъемного соединения в них обеспечивается за счет проявления действия внутренних сил системы.

При этом происходит образование связей между атомами металла соединяемых деталей. Для сварных соединений характерно возникновение металлической связи, обусловленной взаимодействием ионов и обобществленных электронов.

Для получения сварного соединения недостаточно простого соприкосновения поверхностей соединяемых деталей. Межатомные связи могут установиться только тогда, когда соединяемые атомы получают некоторую дополнительную энергию, необходимую для преодоления, существующего между ними определенного энергетического барьера. При этом атомы достигают состояния равновесия в действии сил напряжения и отталкивания. Эту энергию называют энергией активации. При сварке ее вводят извне путем нагрева (термическая активация) или пластического деформирования (механическая активация).

Сближение свариваемых частей и приложение энергии активации – необходимые условия для образования неразъемных сварных соединений.

В зависимости от вида активации при выполнении соединений различают два вида сварки: плавлением и давлением. При сварке плавлением детали по соединяемым кромкам оплавляют под действием источника нагрева. Оплавленные поверхности кромок с дополнительным присадочным металлом (при необходимости), образуют жидкую сварочную ванну. При охлаждении сварочной ванны жидкий металл затвердевает и образует сварной шов.

Сущность сварки давлением состоит в непрерывном или прерывистом совместном пластическом деформировании материала по кромкам свариваемых деталей. Благодаря пластической деформации и течению металла облегчается установление межатомных связей соединяемых частей. Для ускорения процесса применяют сварку давлением с нагревом. В некоторых способах сварки давлением нагрев может производиться до оплавления металла свариваемых поверхностей.

Все термины и основные понятия, связанные с производством сварных конструкций, согласно ГОСТ 2601-84 приведены в таблице 1.1.

Термины и определения основных понятий сварки металлов Сварка Ручная сварка Механизированная сварка Автоматическая сварка Сварка плавлением Наплавка Дуговая сварка Дуговая сварка плавящимся электродом Дуговая сварка неплавящимся электродом Дуговая сварка под флюсом Дуговая сварка в защитном газе Аргонодуговая сварка Дуговая сварка в углекислом газе При которой в качестве защитного газа Импульсно-дуговая сварка Ручная дуговая сварка Механизированная дуговая сварка Автоматическая дуговая сварка Двухдуговая сварка Многодуговая сварка Многоэлектродная сварка Дуговая сварка по флюсу Точечная дуговая сварка Вибродуговая сварка Сварка лежачим электродом Сварка наклонным электродом Плазменная сварка Сварное соединение Стыковое соединение Угловое соединение Нахлесточное соединение Тавровое соединение Торцевое соединение Сварная конструкция Сварной узел Сварной шов Стыковой шов Угловой шов Точечный шов Сварная точка Ядро точки Непрерывный шов Прерывистый шов Цепной прерывистый шов Шахматный прерывистый шов Подварочный шов Прихватка Монтажный шов Валик Слой сварного шва Корень шва Выпуклость сварного шва Вогнутость сварного шва Толщина углового шва Расчетная высота углового шва Катет углового шва Ширина сварного шва Коэффициент формы сварного шва Механическая неоднородность сварного соединения Мягкая прослойка сварного соединения Твердая прослойка сварного соединения Разупрочненный участок сварного соединения Контактное упрочнение мягкой прослойки Направление сварки Обратноступенчатая сварка Сварка блоками Сварка каскадом Проход при сварке Сварка напроход Сварка вразброс Сварка сверху вниз Сварка снизу вверх Сварка на спуск Сварка на подъем Сварка углом вперед Сварка углом назад Сварка на весу Сварка неповоротных стыков Поддув защитного газа Разделка кромки Скос кромки Притупление кромки Угол скоса кромки Угол разделки кромок Зазор Основной металл Глубина проплавления Сварочная ванна Кратер Присадочный металл Наплавленный металл Металл шва Провар Зона сплавления при сварке Зона термического влияния при сварке Сжатая дуга Дуга прямого действия Дуга косвенного действия Прямая полярность Обратная полярность Магнитное дутье Осадка при сварке Грат при сварке Угар при сварке Установочная длина свариваемых частей Свариваемость Коэффициент расплавления Коэффициент наплавки при сварке Коэффициент потерь при сварке В настоящее время различают более 150 видов сварочных процессов. ГОСТ 19521-74 устанавливает классификацию сварочных процессов по основным физическим, техническим и технологическим признакам.

Основой физических признаков классификации является форма энергии, используемая для получения сварного соединения. По физическим признакам, все виды сварки относят к одному из трех классов: термическому, термомеханическому и механическому (табл. 1.2).

Классификация сварки металлов по ГОСТ 19521- Примечание: В комбинированных технологических процессах возможно одновременное использование разных видов сварки К техническим признакам классификации сварочных процессов относят способы защиты металла в зоне сварки, непрерывность процесса и степень его механизации (рис. 1.1.).

Технологические признаки классификации устанавливаются для каждого вида сварки отдельно. Например, вид дуговой сварки может быть классифицирован по следующим признакам: виду электрода, характеру защиты, уровню автоматизации.

1.3. Основные разновидности дуговой сварки Источником нагрева при дуговых способах сварки является сварочная дуга, представляющая собой устойчивый электрический разряд, происходящий в газовой среде между двумя электродами или электродом и деталью. Для поддержания такого разряда нужной продолжительности необходимо применение специальных источников питания дуги (ИПД). Для питания дуги переменным током применяют сварочные трансформаторы, при постоянном токе – сварочные генераторы или сварочные выпрямители.

Разработка дуговой сварки обусловлена открытием электрической дуги в 1802 г. русским физиком В.В. Петровым. Впервые для соединения металлических частей с помощью электрической дуги, горящей между неплавящимся угольным электродом и свариваемым изделием, было осуществлено Н.Н. Бенардосом в 1882 г. При необходимости в сварочную ванну дополнительно подавался присадочный материал. В 1888 г. русский инженер Н.Г. Славянов усовершенствовал процесс, заменив неплавящийся угольный электрод на плавящийся металлический. Тем самым было достигнуто объединение функций электрода для существования дугового разряда и присадочного металла для образования ванны. Предложенные Н.Н.

Бенардосом и Н.Г. Славяновым способы дуговой сварки неплавящимся и плавящимся электродами легли в основу разработки наиболее распространенных современных способов дуговой сварки.

Дальнейшее совершенствование дуговой сварки шло по двум направлениям:

1) изыскание средств защиты и обработки расплавленного металла сварочной ванны;

2) автоматизация процесса.

Рис. 1.1. Классификация способов дуговой сварки По характеру защиты свариваемого металла и сварочной ванны от окружающей среды могут быть выделены способы дуговой сварки с шлаковой, газошлаковой и газовой защитой. По степени автоматизации процесса способы разделяют на ручную, механизированную и автоматическую сварку. Ниже приводятся характеристики и описание основных разновидностей дуговой сварки.

Дуговая сварка покрытыми электродами (рис. 1.2). При этом способе процесс выполняется вручную. Сварочные электроды могут быть плавящиеся – стальные, медные, алюминиевые и др. Наиболее широко применяют сварку стальными электродами, имеющими на поверхности электродное покрытие. Покрытие электродов готовится из порошкообразной смеси различных компонентов и наносится на поверхность стального стержня в виде затвердевающей пасты. Его назначение – повысить устойчивость горения дуги, провести металлургическую обработку сварочной ванны, и улучшить качество сварки. Сварной шов образуют за счет расплавления металла свариваемых кромок и плавления стержня сварочного электрода.

Рис. 1.2. Ручная дуговая сварка покрытыми электродами: 1 – деталь;

2 – стержень электрода; 3 – покрытие; 4 – дуга При этом сварщик вручную осуществляет два основных технологических движения: подачу покрытого электрода в зону сварки по мере его расплавления и перемещение дуги вдоль свариваемого шва.

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами – один из наиболее распространенных способов, используемых при изготовлении сварных конструкций. Она отличается простотой и универсальностью, возможностью выполнения соединений в различных пространственных положениях и труднодоступных местах. Существенный недостаток ее – малая производительность процесса и зависимость качества сварки от квалификации сварщика.

Дуговая сварка неплавящимся электродом (рис. 1.3) в настоящее время в качестве неплавящегося электрода используют преимущественно стержни из чистого вольфрама, реже из графита.

Рис. 1.3. Электрическая сварочная цепь дуговой сварки: 1 – свариваемая деталь; 2 – сварочный электрод;3 – сварочная дуга; 4 – источник питания дуги Применяемые вольфрамовые электроды должны отвечать требованиям ГОСТ 23949-80. Они могут содержать активирующие добавки оксида лантана (ЭВЛ), иттрия (ЭВИ), диоксида тория (ЭВТ). Эти добавки облегчают зажигание и поддерживают горение дуги, повышают эрозионную стойкость электрода. Наибольшее распространение получили электроды ЭВЛ и ЭВИ диаметром 0,5…10 мм, выдерживающие большую токовую нагрузку. Из-за окисления вольфрамовым электродом и их быстрого разрушения для защиты не допускается использовать газы, содержащие кислород. Основным защитным газом является аргон или аргоногелиевая смесь. Наряду с инертными газами для сварки вольфрамовым электродом используют и некоторые активные газы, например азот и водород или их смеси с аргоном.

Дуговая сварка под флюсом (рис. 1.4) электрическая дуга горит между плавящимся электродом и деталью под слоем сварочного флюса, полностью закрывающего дугу и сварочную ванну от взаимодействия с воздухом. Сварочный электрод выполнен в виде проволоки, свернутой в кассету и автоматически подаваемой в зону сварки. Перемещение дуги вдоль свариваемых кромок может выполняться или вручную, или с помощью специального привода. В первом случае процесс ведется с помощью сварочных полуавтоматов, во втором – сварочных автоматов.

Дуговая сварка под флюсом отличается высокой производительностью и качеством получаемых соединений. К недостаткам процесса следует отнести трудность сварки деталей небольших толщин, коротких швов и выполнение швов в основных положениях, отличных от нижних.

Рис. 1.4. Сварка под слоем Рис. 1.5. Сварка в защитном флюса: 1 – деталь; 2 – слой флюса; газе: 1 – деталь; 2 – защитный газ;

Дуговая сварка в защитных газах (рис. 1.5) электрическая дуга горит в среде специально подаваемых в зону сварки защитных газов.

При этом можно использовать как неплавящийся, так и плавящийся электроды, а выполнять процесс ручным, механизированным или автоматическим способом. При сварке неплавящимся электродом применяют присадочную проволоку, при плавящемся электроде присадки не требуется. Сварка в защитных газах отличается широким разнообразием и применяется для широкого круга металлов и сплавов.

Электрошлаковая сварка (рис. 1.6) процесс сварки является бездуговым. В отличие от дуговой сварки для расплавления основного и присадочного металлов используется теплота, выделяющаяся при прохождении сварочного тока через расплавленный электропроводный шлак (флюс). После затвердевания расплава образуется сварной шов.

Сварку выполняют чаще всего при вертикальном положении свариваемых деталей с зазором между ними. Для формирования шва по обе стороны зазора устанавливают медные ползуны-кристаллизаторы, охлаждаемые водой. Электрошлаковую сварку применяют для соединения деталей больших толщин (от 20 до 1000 мм и более).

Рис. 1.6. Электрошлаковая сварка: 1 – электрод; 2 – деталь; 3 – шлаковая ванна; 4 – сварной шов; 5 – ползуны-кристаллизаторы Металлическую конструкцию, изготовленную при помощи сварки из отдельных деталей, называют сварной, а часть такой конструкции – сварным узлом.

ГОСТ 2601-84 устанавливает ряд терминов и определений для сварных соединений и швов.

Основной металл – это металл подвергающихся сварке соединяемых частей.

Сварным соединением называют неразъемное соединение, выполненное сваркой. Оно включает в себя сварной шов, прилегающую к нему зону основного металла (зона термического влияния), в которой в результате теплового воздействия сварки произошли структурные и другие изменения, и примыкающие к ней участки основного металла.

Сварной шов представляет собой участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны.

Сварочная ванна – это часть металла сварного шва, находящаяся во время сварки в расплавленном состоянии. Углубление, образующееся в шве по окончании процесса сварки, называют кратером.

Металл, подаваемый в зону дуги дополнительно к расплавленному основному металлу, называют присадочным.

Переплавленный присадочный металл, введенный в сварочную ванну или наплавленный на основной металл, называют наплавленным.

Сплав, образованный переплавленным основным или переплавленным основным и наплавленным металлами, называют металлом шва.

По форме сопряжения соединяемых деталей различают следующие типы сварных соединений: стыковое, угловое, торцовое, тавровое и нахлестанное. Применяют также нахлесточные соединения с точечными и прорезными сварными швами, выполненными дуговой сваркой.

Стыковое соединение (рис. 1.7, а) представляет собой сварное соединение двух деталей, расположенных в одной плоскости и примыкающих друг к другу торцовыми поверхностями. Оно наиболее распространено в сварных конструкциях, поскольку имеет ряд преимуществ перед другими видами соединений.

Угловое соединение (рис. 1.7, б) – это сварное соединение двух элементов, расположенных под углом друг к другу и сваренных в месте примыкания их кромок.

Торцовое соединение (рис. 1.7, в) представляет собой соединение, в котором боковые поверхности элементов примыкают друг к другу.

Тавровое соединение (рисунок 1.7, г) – это соединение, в котором к боковой поверхности одного элемента примыкает под углом и приварен торцом другой элемент. Как правило, угол между элементами прямой.

Нахлесточное соединение (рис. 1.7, д) представляет собой сварное соединение, в котором соединяемые элементы расположены параллельно и частично перекрывают друг друга.

В зависимости от типов сварных соединений различают стыковые и угловые сварные швы. Стыковые швы выполняют при сварке стыковых соединений, угловые – при сварке угловых, тавровых и нахлесточных соединений.

Рис. 1.7. Типы сварных соединений: а – стыковое; б – угловое;

в – торцевое; г – тавровое; д – нахлесточное По характеру выполнения сварные швы могут быть одно- и двусторонними, а по числу слоев – одно- и многослойными, а также многопроходными (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Одно- (а) и двусторонний (б) однопроходные швы и многослойный многопроходный сварной шов (в): 1–8 – очередность выполнения проходов; 1 – корневой шов; 7 – облицовочный шов; 8 – подварочный шов;

I–IV – слои Слой сварного шва – это часть металла шва, которая состоит из одного или нескольких валиков, расположенных на одном уровне поперечного сечения шва. Валик представляет собой металл шва, наплавленный или переплавленный за один проход. Под проходом понимают выполнение валика в одном направлении при сварке или наплавке. Часть сварного шва, наиболее удаленную от его лицевой поверхности, называют корнем. Шов, выполняемый предварительно для предотвращения прожогов при многопроходной сварке или наплавленный в корень шва для обеспечения гарантированного проплавления, называют подварочным.

Основные геометрические параметры стыкового и углового швов в соответствии с ГОСТ 2601-84 приведены на рисунке 1.9.

Рис. 1.9. Основные геометрические параметры стыковых (а, б) и углового (в) сварных швов: S – толщина детали; e – ширина шва;

g – выпуклость(усиление); m – вогнутость (ослабление); h – глубина проплавления;

t – толщина стыкового шва; b – зазор в стыке; k – катет углового шва;

p – расчетная высота углового шва; a – толщина углового шва В зависимости от расположения швов в конструкции сварку выполняют в разных положениях: нижнем, горизонтальном, вертикальном и потолочном (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Основные пространственные положения сварки Сварные швы также подразделяются по положению в пространстве:

«в лодочку», нижние, полугоризонтальные, горизонтальные, полувертикальные, вертикальные, полупотолочные и потолочные (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Обозначение швов, имеющих разное пространственное положение (в скобках приведены существующие международные обозначения): Л – «в лодочку»; Н – нижнее; Пг – полугоризонтальное;

Г – горизотальное; Пв – полувертикальное; В – вертикальное;

Пп – полупотолочное; П – потолочное По протяженности различают швы непрерывные (сплошные) и прерывистые. Непрерывный шов – это сварной шов без промежутков по длине, прерывистый шов такие промежутки имеет. Прерывистые швы могут быть цепными или шахматными (рис. 1.12, а).

По отношению к направлению действующего усилия Р швы подразделяют на продольные, поперечные, комбинированные и косые (рис. 1.12, б).

По условиям работы швы бывают рабочие, воспринимающие внешние нагрузки. И связующие (соединительные), предназначенные только для крепления частей изделия и не рассчитанные на восприятие внешних нагрузок.

Рис. 1.12. Классификация сварных швов по протяженности (а) и направлению действующего усилия (б) 1.5. Условные изображения и обозначения швов сварных Согласно Единой системе конструкторской документации (ЕСКД), изображения и обозначения швов сварных соединений на чертежах изделий должны соответствовать ГОСТ 2312-72 «Изображение швов сварных соединений». Независимо от вида сварки видимый шов сварного соединения условно изображают сплошной основной линией (рис. 1.15), а невидимый – штриховой. Обозначение шва отмечают линией-выноской, заканчивающейся односторонней стрелкой.

Рис. 1.15. Изображение сварных швов на чертежах Характеристика шва проставляется над полкой линии-выноски (для лицевой стороны шва) или под полкой (для обратной стороны шва).

Структура условного обозначения стандартного шва приведена на рисунке 1.16.

Рис. 1.16. Структура условных обозначений сварных швов Ниже приведены номера некоторых стандартов на виды и конструктивные элементы швов сварных соединений для различных видов сварки: ГОСТ 8713-79 «Сварка под флюсом. Сварные соединения»;

ГОСТ 5264-80 «Ручная дуговая сварка. Соединения сварные»;

ГОСТ 14771-76 «Дуговая сварка в защитном газе. Сварные соединения»;

ГОСТ 15164-79 «Электрошлаковая сварка. Соединения сварные».

Этими стандартами в зависимости от толщины металла устанавливаются формы поперечного сечения и конструктивные элементы подготовленных кромок и выполненных швов, которым присваивают условные буквенно-цифровые обозначения. Для обозначения сварных швов используют также вспомогательные знаки (табл. 1.3). Все элементы условного обозначения располагаются в указанной последовательности и отделяются друг от друга дефисом. Буквенные обозначения способа сварки необходимо проставлять на чертеже только в случае применения в данном изделии нескольких видов сварки, например П – механизированная дуговая сварка, А – автоматическая дуговая, У – дуговая в углекислом газе и др. Ручная дуговая сварка не имеет буквенного обозначения. Можно не указывать на полке минивыноски обозначения стандарта, если все швы в изделии выполняются по одному стандарту. В этом случае следует сделать соответствующее указание в примечаниях на чертеже. Примеры условного обозначения сварных швов приведены в таблице 1.4.

Вспомогательные знаки для условного обозначения сварных швов Вспомогательный Примеры условного обозначения сварных швов Стыковой односторонний на остающейся подкладке, со скосом двух кромок, выполненный дуговой сваркой покрытыми электродами Стыковой двусторонний, с двумя симметричными скосами двух кромок, выполненный дуговой сваркой покрытыми электродами.

Участок перехода от шва к основному металлу дополнительно обработан Стыковой односторонний со скосом двух кромок, замковый. Усиление шва снято механической обработкой односторонний, без скоса кромок, выполненный дуговой сваркой покрытыми электродами на монтаже.

Катет шва 5 мм невидимый односторонний, выполненный по замкнутому углекислом газе плавящимся электродом. Шов прерывистый с шахматным расположением участков. Катет шва 6 мм, длина провариваемого участка 50 мм, шаг 150 мм Рис. 1.17. Обозначение повторяющихся сварных швов на чертеже:

а – с выносом одного из них на чертеже; б – со сводом всех сварных швов в таблицу

ВОПРОСЫ

Что называют сварными соединениями?

Что представляет собой сварной шов?

Как классифицируют сварные соединения и швы?

Что называют стыковым, угловым, нахлсточным и тавровым соединениями согласно ГОСТ 2601-84?

Что представляет собой подварочный шов?

Для чего необходимы скос кромок, их притупление и зазор между свариваемыми частями?

Какие виды дуговой сварки знаете?

Как изображаются и обозначаются сварные швы на чертеже?

10. В чем отличие дуги прямого действия от дуги косвенного действия?

Глава 2. Электрическая дуга и ее применение для сварки Электрическая дуга представляет собой один из видов электрических разрядов в газах, при котором наблюдается прохождение электрического тока через газовый промежуток под воздействием электрического поля. Электрическую дугу, используемую для сварки металлов, называют сварочной дугой. Дуга является частью электрической сварочной цепи, и на ней происходит падение напряжения. При сварке на постоянном токе электрод, подсоединенный к положительному полюсу источника питания дуги, называют анодом, а к отрицательному – катодом. Если сварка ведется на переменном токе, каждый из электродов является попеременно то анодом, то катодом.

Промежуток между электродами называют областью дугового разряда или дуговым промежутком. Длину дугового промежутка называют длиной дуги. В обычных условиях при низких температурах газы состоят из нейтральных атомов и молекул и не обладают электрической проводимостью. Прохождение электрического тока через газ возможно только при наличии в нем заряженных частиц – электронов и ионов. Процесс образования заряженных частиц газа называют ионизацией, а сам газ – ионизованным. Возникновение заряженных частиц в дуговом промежутке обусловливается эмиссией (испусканием) электронов с поверхности отрицательного электрода (катода) и ионизацией находящихся в промежутке газов и паров. Дуга, горящая между электродом и объектом сварки, является дугой прямого действия. Такую дугу принято называть свободной дугой в отличие от сжатой, поперечное сечение которой принудительно уменьшено за счет сопла горелки, потока газа, электромагнитного поля. Возбуждение дуги происходит следующим образом. При коротком замыкании электрода и детали в местах касания их поверхности разогреваются. При размыкании электродов с нагретой поверхности катода происходит испускание электронов – электронная эмиссия. Выход электронов в первую очередь связывают с термическим эффектом (термоэлектронная эмиссия) и наличием у катода электрического поля высокой напряженности (автоэлектронная эмиссия). Наличие электронной эмиссии с поверхности катода является непременным условием существования дугового разряда.

По длине дугового промежутка дуга разделяется на три области (рис. 2.1): катодную, анодную и находящийся между ними столб дуги.

Рис. 2.1. Строение электрической дуги и распределение напряжения в ней: 1 – катодная область; 2 – столб дуги; 3 – анодная область Катодная область включает в себя нагретую поверхность катода, называемую катодным пятном, и часть дугового промежутка, примыкающую к ней. Протяженность катодной области мала, но она характеризуется повышенной напряженностью и протекающими в ней процессами получения электронов, являющимися необходимым условием для существования дугового разряда. Температура катодного пятна для стальных электродов достигает 2400–2700 С. На нем выделяется до 38% общей теплоты дуги. Основным физическим процессом в этой области является электронная эмиссия и разгон электронов. Падение напряжения в катодной области Uk составляет порядка 12–17 В.

Анодная область состоит из анодного пятна на поверхности анода и части дугового промежутка, примыкающего к нему. Ток в анодной области определяется потоком электронов, идущих из столба дуги.

Анодное пятно является местом входа и нейтрализации свободных электронов в материале анода. Оно имеет примерно такую же температуру, как и катодное пятно, но в результате бомбардировки электронами на нем выделяется больше теплоты, чем на катоде.

Анодная область также характеризуется повышенной напряженностью.

Падение напряжения в ней Ua составляет порядка 2–11 В.

Протяженность этой области также мала.

Столб дуги занимает наибольшую протяженность дугового промежутка, расположенную между катодной и анодной областями.

Основным процессом образования заряженных частиц здесь является ионизация газа. Этот процесс происходит в результате соударения заряженных (в первую очередь электронов) и нейтральных частиц газа.

При достаточной энергии соударения из частиц газа происходит выбивание электронов и образование положительных ионов. Такую ионизацию называют ионизацией соударением. Соударение может произойти и без ионизации, тогда энергия соударения выделяется в виде теплоты и идет на повышение температуры дугового столба.

Образующиеся в столбе дуги заряженные частицы движутся к электродам: электроны – к аноду, ионы – к катоду. Часть положительных ионов достигает катодного пятна, другая же часть не достигает и, присоединяя к себе отрицательно заряженные электроны, ионы становятся нейтральными атомами.

Такой процесс нейтрализации частиц называют рекомбинацией.

В столбе дуги при всех условиях горения ее наблюдается устойчивое равновесие между процессами ионизации и рекомбинации. В целом столб дуги не имеет заряда. Он нейтрален, так как в каждом сечении его одновременно находятся равные количества противоположно заряженных частиц. Температура столба дуги достигает 6000–8000 °С и более. Падение напряжения в нем Uc изменяется практически линейно по длине, увеличиваясь с увеличением длины столба. Падение напряжения зависит от состава газовой среды и уменьшается с введением в нее легко ионизующихся компонентов. Такими компонентами являются щелочные и щелочно-земельные элементы (Са, Na, К и др.).

Общее падение напряжения в дуге UД=Uk+Ua+Uc. Принимая падение напряжения в столбе дуги в виде линейной зависимости, его можно представить формулой Uc=Elc, где Е – напряженность по длине, lc –длина столба. Значения Uk, Ua, E практически зависят лишь от материала электродов и состава среды дугового промежутка и при их неизменности остаются постоянными при разных условиях сварки. В связи с малой протяженностью катодной и анодной областей можно считать практически lc=lД. Тогда получается выражение:

показывающее, что напряжение дуги прямым образом зависит от ее длины, где a=Uk+Ua; b=E. Непременным условием получения качественного сварного соединения является устойчивое горение дуги (ее стабильность). Под этим понимают такой режим ее существования, при котором дуга длительное время горит при заданных значениях силы тока и напряжения, не прерываясь и не переходя в другие виды разрядов. При устойчивом горении сварочной дуги основные ее параметры – сила тока и напряжение – находятся в определенной взаимозависимости. Поэтому одной из основных характеристик дугового разряда является зависимость ее напряжения от силы тока при постоянной длине дуги. Графическое изображение этой зависимости при работе в статическом режиме (в состоянии устойчивого горения дуги) называют статической вольтамперной характеристикой дуги (рис. 2.2). С увеличением длины дуги ее напряжение возрастает и кривая статической вольтамперной характеристики поднимается выше с уменьшением длины дуги опускается ниже, качественно сохраняя при этом свою форму. Кривую статической характеристики можно разделить на три области: падающую, жесткую и возрастающую. В первой области увеличение тока приводит к резкому падению напряжения дуги. Это обусловлено тем, что с увеличением силы тока увеличивается площадь сечения столба дуги и его электропроводность. Горение дуги на режимах в этой области отличается малой устойчивостью. Во второй области увеличение силы тока не связано с изменением напряжения дуги.

Это объясняется тем, что площадь сечения столба дуги и активных пятен изменяется пропорционально силе тока, в связи с чем плотность тока и падение напряжения в дуге сохраняются постоянными. Сварка дугой с жесткой статической характеристикой находит широкое применение в сварочной технологии, особенно при ручной сварке. В третьей области с увеличением силы тока напряжение возрастает. Это связано с тем, что диаметр катодного пятна становится равным диаметру электрода и увеличиваться далее не может, при этом в дуге возрастает плотность тока и падает напряжение. Дуга с возрастающей статической характеристикой широко используется при автоматической и механизированной сварке под флюсом и в защитных газах с применением тонкой сварочной проволоки. При механизированной сварке плавящимся электродом иногда применяют статическую вольтамперную характеристику дуги, снятую не при постоянной ее длине, а при постоянной скорости подачи электродной проволоки (рис. 2.3).

Рис. 2.2. Статическая вольтамперная характеристика дуги Рис. 2.3. Статическая вольтамперная характеристика дуги при разных скоростях подачи электродной проволоки: а – малая скорость;

б – средняя скорость; в – большая скорость Как видно из рисунка, каждой скорости подачи электродной проволоки соответствует узкий диапазон токов с устойчивым горением дуги. Слишком малый сварочный ток может привести к короткому замыканию электрода с изделием, а слишком большой – к резкому возрастанию напряжения и ее обрыву.

2.2. Особенности дуги на переменном токе При сварке на постоянном токе в установившемся режиме все процессы в дуге протекают с определенной скоростью и горение дуги отличается высокой стабильностью.

При питании дуги переменным током полярность электрода и изделия, а также условия существования дугового разряда периодически изменяются. Так, дуга переменного тока промышленной частоты 50 Гц погасает и вновь возбуждается 100 раз в секунду, или дважды за каждый период. Поэтому особо возникает вопрос об устойчивости горения дуги переменного тока. В первую очередь устойчивость горения такой дуги зависит от того, насколько легко происходит повторное возбуждение дуги в каждом полупериоде. Это определяется ходом физических и электрических процессов в дуговом промежутке и на электродах в отрезки времени между каждым погасанием и новым зажиганием дуги. Снижение тока сопровождается соответствующим уменьшением температуры в столбе дуги и степени ионизации дугового промежутка. При переходе тока через нуль и перемене полярности в начале и конце каждого полупериода дуга гаснет. Одновременно падает и температура активных пятен на аноде и катоде. Падение температуры несколько отстает по фазе при переходе тока через ноль, что связано с тепловой инерционностью процесса.

Особенно интенсивно падает температура активного пятна, расположенного на поверхности сварочной ванны, в связи с интенсивным отводом теплоты в массу детали. В следующий за погасанием дуги момент меняется полярность напряжения на дуговом промежутке (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Изменение полярности при горении дуги на переменном токе Одновременно изменяется и направление движения заряженных частиц в дуговом промежутке. В условиях пониженной температуры активных пятен и степени ионизации в дуговом промежутке повторное зажигание дуги в начале каждого полупериода происходит только при повышенном напряжении между электродами, именуемым пиком зажигания или напряжением повторного зажигания дуги. Пик зажигания всегда выше напряжения дуги, соответствующего стабильному режиму ее горения. При этом величина пика зажигания несколько выше в тех случаях, когда катодное пятно находится на основном металле. Величина пика зажигания существенно влияет на устойчивость горения дуги переменного тока. Деионизация и охлаждение дугового промежутка возрастают с увеличением длины дуги, что приводит к необходимости дополнительного повышения пика зажигания и влечет снижение устойчивости дуги. Поэтому затухание и обрыв дуги переменного тока при прочих равных условиях всегда происходят при меньшей ее длине, чем для постоянного тока. При наличии в дуговом промежутке паров легкоионизующихся элементов пик зажигания уменьшается и устойчивость горения дуги переменного тока повышается.

С увеличением силы тока физические условия горения дуги улучшаются, что также приводит к снижению пика зажигания и повышению устойчивости дугового разряда. Таким образом, величина пика зажигания является важной характеристикой дуги переменного тока и оказывает существенное влияние на ее устойчивость. Чем хуже условия для повторного возбуждения дуги, тем больше разница между пиком зажигания и напряжением дуги. Чем выше пик зажигания, тем выше должно быть напряжение холостого хода источника питания дуги током. При сварке на переменном токе неплавящимся электродом, когда материал его и изделия резко различаются по своим теплофизическим свойствам, проявляется выпрямляющее действие дуги. Это характеризуется протеканием в цепи переменного тока некоторой составляющей постоянного тока, сдвигающей в определенном направлении кривые напряжения и тока от горизонтальной оси (рис. 2.5). Наличие в сварочной цепи составляющей постоянного тока отрицательно сказывается на качестве сварного соединения и условиях процесса: уменьшается глубина проплавления, увеличивается напряжение дуги, значительно повышается температура электрода и увеличивается его расход. Поэтому приходится применять специальные меры для подавления действия постоянной составляющей.

При сварке плавящимся электродом, близким по составу к основному металлу, на режимах, обеспечивающих устойчивое горение дуги, выпрямляющее действие дуги незначительно и кривые тока и напряжения располагаются практически симметрично относительно оси абсцисс.

Рис. 2.5. Постоянная составляющая тока в сварочной цепи при горении дуги на переменном токе Под технологическими свойствами сварочной дуги понимают совокупность ее теплового, механического и физико-химического воздействия на электроды, определяющие интенсивность плавления электрода, характер его переноса, проплавление основного металла, формирование и качество шва. К технологическим свойствам дуги относятся также ее пространственная устойчивость и эластичность. Технологические свойства дуги взаимосвязаны и определяются параметрами режима сварки.

Важными технологическими характеристиками дуги являются зажигание и стабильность горения дуги. Условия зажигания и горения дуги зависят от рода тока, полярности, химического состава электродов, межэлектродного промежутка и его длины. Для надежного обеспечения процесса зажигания дуги необходимо подведение к электродам достаточного напряжения холостого хода источника питания дуги, но в то же время безопасного для работающего. Для сварочных источников напряжение холостого хода не превышает 80 В на переменном токе и 90 В на постоянном.

Обычно напряжение зажигания дуги больше напряжения горения дуги на переменном токе в 1,2–2,5 раза, а на постоянном токе – в 1,2–1,4 раза. Дуга зажигается от нагрева электродов, возникающего при их соприкосновении. В момент отрыва электрода от изделия с нагретого катода происходит электронная эмиссия. Электронный ток ионизует газы и пары металла межэлектродного промежутка, и с этого момента в дуге появляются электронный и ионный токи. Время установления дугового разряда составляет 10-5–10-4. Поддержание непрерывного горения дуги будет осуществляться, если приток энергии в дугу компенсирует ее потери. Таким образом, условием для зажигания и устойчивого горения дуги является наличие специального источника питания электрическим током.

Вторым условием является наличие ионизации в дуговом промежутке.

Степень протекания этого процесса зависит от химического состава электродов и газовой среды в дуговом промежутке. Степень ионизации выше при наличии в дуговом промежутке легкоионизующихся элементов. Горящая дуга может быть растянута до определенной длины, после чего она гаснет.

Чем выше степень ионизации в дуговом промежутке, тем длиннее может быть дуга. Максимальная длина горящей без обрыва дуги характеризует важнейшее технологическое свойство ее – стабильность. Стабильность дуги зависит от целого ряда факторов: температуры катода, его эмиссионной способности, степени ионизации среды, длины дуги и др.

К технологическим характеристикам дуги относятся также пространственная устойчивость и эластичность. Под этим понимают способность сохранения дугой неизменности пространственного положения относительно электродов в режиме устойчивого горения и возможность отклонения и перемещения без затухания под воздействием внешних факторов. Такими факторами могут быть магнитные поля и ферромагнитные массы, с которыми дуга может взаимодействовать. При этом взаимодействии наблюдается отклонение дуги от естественного положения в пространстве. Отклонение столба дуги под действием магнитного поля, наблюдаемое в основном при сварке постоянным током, называют магнитным дутьем (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Отклонение дуги магнитным полем при сварке: – направление магнитного поля; – угол отклонения дуги Возникновение его объясняется тем, что в местах изменения направления тока создаются напряженности магнитного поля. Дуга является своеобразной газовой вставкой между электродами и как любой проводник взаимодействует с магнитными полями. При этом столб сварочной дуги можно рассматривать в качестве гибкого проводника, который под воздействием магнитного поля может перемещаться, как любой проводник, деформироваться и удлиняться. Это приводит к отклонению дуги в сторону, противоположную большей напряженности. При сварке переменным током в связи с тем, что полярность меняется с частотой тока, это явление проявляется значительно слабее. Отклонение дуги также имеет место при сварке вблизи ферромагнитных масс (железо, сталь). Это объясняется тем, что магнитные силовые линии проходят через ферромагнитные массы, обладающие хорошей магнитной проницаемостью, значительно легче, чем через воздух. Дуга в этом случае отклонится в сторону таких масс.

Возникновение магнитного дутья вызывает непровары и ухудшение формирования швов. Устранить его можно за счет изменения места токоподвода к изделию или угла наклона электрода, временным размещением балластных ферромагнитных масс у сварного соединения, позволяющих выравнивать несимметричность магнитных полей, а также заменой постоянного тока переменным.

ВОПРОСЫ

Какой процесс называют ионизацией?

характеристикой дуги?

Каковы особенности горения дуги на переменном токе?

Что называют напряжением холостого тока источника питания дуги UXX?

Что относят к технологическим характеристикам дуги?

В каких случаях используют прямую полярность, и в каких обратную?

Назовите основные процессы, протекающие в различных областях дуги.

Глава 3. Тепловые процессы при дуговой сварке 3.1. Сварочная дуга как источник нагрева Сварочная дута является мощным концентрированным источником теплоты. Электрическая энергия, потребляемая дугой, в основном превращается в тепловую энергию. Выделение тепловой энергии происходит в анодном и катодном активных пятнах и дуговом промежутке. При нагреве детали наибольшей интенсивности тепловой поток дуги достигает в центральной зоне активного пятна (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Удельный тепловой поток при нагреве дугой: а – при сварке покрытым электродом; б – при сварке под слоем флюса По мере удаления от центра пятна интенсивность теплового потока убывает. Распределение теплоты вдоль дугового промежутка происходит в соответствии с падением напряжения в его областях.

Полная тепловая мощность дуги Q (Дж/с) зависит от силы сварочного тока IСВ (А) и напряжения дуги UД (В):

Однако не вся теплота дуги затрагивается на расплавление металла, т.е.

на собственно сварку. Значительная часть ее расходуется на теплоотдачу в окружающую среду, расплавление электродного покрытия или флюса, разбрызгивание и т.п. Характер распределения полной тепловой мощности по отдельным статьям расхода определяют термином «тепловой баланс дуги». На рисунке 3.2 показаны схемы тепловых балансов дуги при ручной сварке покрытыми электродами и сварке под флюсом.

Рис. 3.2. Тепловой баланс при сварке: а – покрытым электродом; б – под слоем флюса Часть общей тепловой мощности дуги, расходуемой непосредственно на нагрев и расплавление основного и присадочного металлов, называют эффективной тепловой мощностью дуги q(Дж/с).

Она всегда меньше полной тепловой мощности дуги. Эффективная тепловая мощность сварочной дуги представляет собой количество теплоты, введенное дугой в свариваемую деталь в единицу времени. Она определяется уравнением:

где – коэффициент полезного действия дуги, представляющий собой отношение эффективной тепловой мощности к полной тепловой мощности дуги. Эффективная тепловая мощность зависит от способа сварки, материала электрода, состава покрытия или флюса и ряда других факторов. Данные значений для различных способов сварки приведены на таблице 3.1.

Данные рисунка 3.2 и таблицы 3.1 показывают, что теплота дуги наиболее рационально используется при автоматической сварке под флюсом.

3.2. Плавление металла электрода и его перенос в дуге при сварке Нагрев и плавление электрода осуществляются за счет энергии, выделяемой в активном пятне, расположенном на его торце, и теплоты, выделяющейся по закону Джоуля - Ленца, при протекании сварочного тока по вылету электрода. Вылетом называют свободный участок электрода от места контакта с токопроводом до его торца. В начальный момент ручной дуговой сварки вылет электрода составляет 400 мм и изменяется по мере плавления электрода, при автоматической сварке он равен 12–60 мм. Расплавляясь в процессе сварки, жидкий металл с торца электрода переходит в сварочную ванну в виде капель разного размера.

За 1с может переноситься от 1–2 до 150 капель и более в зависимости от их размера. Независимо от основного положения сварки капли жидкого металла всегда перемещаются вдоль оси электрода по направлению к сварочной ванне. Это объясняется действием на каплю разных сил в дуге. В первую очередь к ним относятся гравитационная сила, электромагнитная сила, возникающая при прохождении по электроду сварочного тока, сила поверхностного натяжения, давление образующихся внутри капли газов, которые отрывают ее от электрода и дробят на более мелкие капли.

Гравитационная сила проявляется в стремлении капли перемещаться по вертикали сверху вниз.

Сила поверхностного натяжения обеспечивает капле сферическую форму. Электромагнитные силы играют важнейшую роль в отрыве и направленном переносе капель к сварочной ванне при сварке швов в любом пространственном положении. Электрический ток, проходя по электроду, создает вокруг него магнитное поле, оказывающее сжимающее действие. Сжатие расплавленной части электрода приводит к образованию шейки у места перехода к твердому металлу (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Схема сжимающего действия электромагнитных сил на жидкую каплю электродного металла По мере уменьшения ее сечения и возрастания плотности тока жидкий металл формируется и отделяется в виде сферической капли.

При этом капля за счет действия электромагнитной силы приобретает направленность движения к сварочной ванне. Сила внутреннего давления газов также участвует в переносе капли. Расплавленный металл на электроде сильно перегрет. Образующиеся в нем газы способствуют отрыву его от торца электрода и могут раздробить на более мелкие капли.

При дуговой сварке плавящимся электродом различают три типа переноса электродного металла: крупнокапельный, мелкокапельный, или струйный, и перенос с образованием коротких замыканий дуги.

Характер переноса капель с электрода в сварочную ванну зависит от силы сварочного тока и напряжения дуги. Установлено, что с увеличением силы тока размер капель уменьшается, а число их, образующихся в единицу времени, возрастает. С увеличением напряжения дуги, наоборот, размер капель увеличивается, а число их уменьшается. Так, при сварке голой проволокой на малых токах (плотностях) жидкий металл переходит в сварочную ванну в виде крупных капель с кратковременными замыканиями дугового промежутка, а при сварке покрытыми электродами и под флюсом на обычных плотностях тока – в виде мелких капель без замыкания дугового промежутка. При сварке в защитных газах и под флюсом тонкой проволокой на повышенных плотностях тока наблюдается мелкокапельный (струйный) перенос металла. В этом случае очень мелкие капли образуют сплошную коническую струю жидкого металла, переходящего в шов также без коротких замыканий, что уменьшает разбрызгивание металла и улучшает формирование швов.

3.3. Производительность процесса дуговой сварки Производительность процесса дуговой сварки оценивают по количеству проплавленного в единицу времени основного металла GПР и количеству наплавленного металла GН определяемого как избыток массы конструкции после сварки по сравнению с массой до сварки.

При сварке неплавящимся электродом соединений встык или с отбортовкой без присадочной проволоки важно обеспечить производительность проплавления, а при сварке плавящимся электродом – производительность проплавления и наплавки. При сварке плавящимся электродом производительность оценивают по количеству наплавленного электродного металла, определяемого по формуле:

где IСВ – сила тока, A; t0 – основное время сварки (время чистого горения дуги), ч; Н – коэффициент наплавки, г/(Ач).

Коэффициент наплавки выражается отношением массы металла, наплавленного за единицу времени горения дуги, к единице силы сварочного тока. Обычно его представляют количеством наплавленного в течение 1 ч электродного металла (г), приходящимся на 1 А сварочного тока. При сварке покрытыми электродами коэффициент наплавки составляет 6–12 г/(Ач), под флюсом – 10–16, в углекислом газе – 12–20, при электрошлаковой – 18–22 г/(Ач).

Производительность наплавки GH связана с производительностью расплавления электродной проволоки:

где Р – коэффициент расплавления электродной проволоки, г/(Ач).

Коэффициент расплавления выражают отношением массы электрода, расплавленного за единицу времени горения дуги, к единице силы сварочного тока. Обычно его представляют количеством расплавленного металла электрода в течение 1 ч, приходящимся на 1 А сварочного тока. Скорость расплавления электродного металла в значительной степени определяет производительность и эффективность процесса сварки, а коэффициент расплавления зависит от ряда факторов, определяющих условия сварки: рода и силы тока, полярности, напряжения дуги, состава и толщины покрытия электрода или флюса. Коэффициент расплавления при сварке плавящимся электродом в среде защитных газов заметно изменяется с изменением полярности тока и состава газа. При увеличении сварочного тока, как правило, коэффициент расплавления возрастает. Особенно это заметно при больших плотностях тока, применяемых при механизированной и автоматической сварке. В большинстве случаев при сварке коэффициент Н меньше коэффициента Р на величину потерь электродного металла, возникающих за счет угара и разбрызгивания. Эта часть металла, не участвующая в образовании шва, характеризуется коэффициентом потерь а, который выражают в процентах:

или Коэффициент потерь зависит от способа сварки, типа электрода и параметров режима. На потери значительное влияние оказывает характер капельного переноса электродного металла в дуге при сварке. Так, при сварке покрытыми электродами он составляет 5–10%, под флюсом – 1–5%, в защитных газах – 1–5%. В тех случаях, когда в составе электродных покрытий или наполнителе порошковой проволоки содержится значительное количество металлических составляющих, коэффициент а может иметь положительную величину, т.е. Н будет больше Р.

ВОПРОСЫ

Что представляет собой сварочная дуга?

Что понимают под тепловым балансом при различных видах дуговой сварки?

Что является общей тепловой мощностью дуги и что эффективной?

Как закон Джоуля-Ленца влияет на процесс нагрева и плавления электрода?

Какие силы действуют на каплю расплавленного электродного металла?

Что понимают под плотностью тока?

Как происходит расплавление электрода и перенос металла в дуге? Основные типы капельного переноса.

Как при ручной дуговой сварке покрытыми электродами увеличить производительность процесса?

Что понимают под термином «коэффициент наплавки»?

10. Чем отличаются коэффициент наплавки от коэффициента расплавления?

Глава 4. Нагрев свариваемого металла 4.1. Общие сведения о нагреве металла при сварке Нагревание металла в сварном соединении при дуговой сварке определяется эффективной тепловой мощностью дуги и распределением выделяемой теплоты на поверхности и в объеме детали. Наибольшей интенсивности тепловой поток сварочной дуги достигает в центральной зоне активного пятна, где вследствие электронной и ионной бомбардировки происходит непосредственное выделение теплоты в поверхностных слоях металла. В пограничных с активным пятном областях металл нагревается в основном за счет лучистого обмена со столбом дуги и конвективного обмена с горячими газами дуги. По мере удаления от центра пятна интенсивность теплового потока убывает (см. рис. 3.1). Из приведенных данных видно, что тепловой поток дуги при сварке под флюсом является более сосредоточенным, чем при ручной дуговой сварке. Знание о распространении теплоты при сварке имеет важное значение для изучения процессов, связанных с нагревом металла при всех видах сварки.

Распространение теплоты в основном металле происходит за счет теплопроводности. В начальный момент сварки поступление теплоты в металл от дуги превышает его теплоотвод от места нагрева. При этом температура металла в точках, находящихся на определенном расстоянии от дуги, непрерывно повышается. Такое состояние металла в сварном соединении рассматривается как неустановившийся тепловой режим.

По прошествии некоторого времени наступает равновесие между количеством теплоты, поступающей от источника нагрева, и теплоты, отводимой в изделие. При этом температура металла в точках, находящихся на определенных расстояниях от дуги, остается неизменной. Тепловое состояние металла достигает определенной стабильности и характеризуется как установившийся тепловой режим.

Схематическое изображение теплового состояния металла в сварном соединении обычно производят с помощью системы изотерм – линий, соединяющих точки с одинаковой температурой. Семейство таких изотерм для определенных условий сварки рассматривается как температурное поле в нагреваемом металле. В свою очередь, по отношению к нагреваемому металлу источники теплоты делятся на неподвижные и подвижные, перемещающиеся с определенной скоростью. Для сварочных условий наиболее характерным является применение подвижных источников нагрева.

Образование сварочной ванны является важнейшим этапом получения соединения при сварке плавлением. От формы и размеров сварочной ванны зависят форма и размеры сварных швов. Последние во многом определяют эксплуатационные характеристики получаемых соединений.

Форму и размеры сварочной ванны определяют границами изотермической поверхности объемного теплового поля, соответствующие температуре плавления металла ТПЛ. Однако такой подход является несколько идеализированным, поскольку формирование объема расплавленного металла учитывает лишь эффект распространения теплоты вглубь металла за счет теплопроводности. В реальных условиях сварки сварочная ванна формируется под действием целого ряда сил, действующих в ней, в первую очередь силы тяжести жидкого металла, поверхностного натяжения его и давления самого источника нагрева. Дуга, обеспечивающая местный нагрев и расплавление кромок соединяемых элементов, оказывает на расплавленный металл давление, за счет которого он вытесняется из передней части ванны, т.е. из области с наибольшей интенсивностью нагрева в ее хвостовую часть. Это ведет к уменьшению толщины жидкой прослойки под дугой и создает условия для углубления ванны.

В результате изменяются очертания зоны расплавления (рис. 4.1).

Давление на расплавленный металл определяется разностью его уровней h в ванне. Изменение условий сварки, в свою очередь, существенно отражается на формировании сварочной ванны, соотношении ее геометрических размеров.

Рис. 4.1. Параметры формы сварочной ванны сосредоточенности источника, увеличение давления дуги ведут к увеличению глубины проплавления и уменьшению ширины. При этом ванна удлиняется. Важным фактором, влияющим на геометрические параметры ванны, является пространственное расположение выполняемых швов. При сварке изделий в наклонном положении на подъем (перемещение ванны снизу вверх) глубина проплавления возрастает, при сварке на спуск (перемещение ванны сверху вниз) – снижается (рис. 4.2, б). В первом случае жидкий металл перетекает в хвостовую часть ванны, уменьшая толщину жидкой прослойки под дугой, во втором случае, наоборот, он затекает в головную часть ванны и толщина прослойки увеличивается.

Рис. 4.2. Формирование сварочной ванны в разных положениях:

а – вертикальном; б – наклонном; в – потолочном; г – горизонтальном.

При сварке в вертикальном положении (рис. 4.2, а) процесс можно вести сверху вниз (на спуск) и снизу вверх (на подъем). В обоих случаях сила тяжести направлена вниз. При сварке на подъем сварочная ванна удерживается только силой поверхностного натяжения. При этом глубина проплавления резко возрастает. Для удержания расплава приходится ограничивать тепловую мощность дуги и размеры ванны.

При сварке на спуск удержанию жидкого металла способствует давление дуги, а глубина проплавления уменьшается.

При сварке в потолочном положении (рис. 4.2, в) сварочная ванна удерживается силами поверхностного натяжения и давлением источника нагрева. Для удержания ванны в потолочном положении также необходимы меры по ограничению ее объема. Особенно неблагоприятные условия формирования ванны создаются при выполнении горизонтальных швов (рис. 4.2, г). Расплавленный металл натекает на нижнюю кромку. Это приводит к образованию несимметричной выпуклой формы шва, а также подрезов. Требование к сокращению размеров сварочной ванны в этом случае особенно жесткое.

Важным фактором, влияющим на работоспособность сварных соединений и также связанным с образованием сварочной ванны, является формирование проплавления корня шва. На рисунке 4. показаны силы, действующие на ванну. Ванна удерживается на весу силой поверхностного натяжения Рп, определяемой по формуле:

где Ж – поверхностное натяжение расплавленного металла; r – радиус кривизны.

Рис. 4.3. Схема формирования проплавления сварного шва: r1 – радиус кривизны в поперечном сечении шва; r2 – радиус кривизны в продольном сечении шва.

Поверхностное натяжение уравновешивает давление РД, оказываемое на ванну дугой, и металлостатическое давление РМ=h, определяющееся разницей уровней h и плотностью расплавленного металла.

Условие равновесия ванны в положении на весу можно записать так:

Из этой формулы следует, что удержание ванны облегчается при уменьшении радиуса кривизны проплава, определяющегося его размерами в поперечном r1 и продольном r2 сечениях. С увеличением ширины и протяженности ванны возрастают радиусы кривизны поверхности жидкого металла в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В момент достижения одним из радиусов величины, большей критической, металлостатическое давление расплавленного металла и сила давления дуги превысят силу поверхностного натяжения, удерживающую сварочную ванну.

Произойдет разрыв поверхностного слоя в корне шва, и жидкий металл вытечет из ванны, образуя прожог. Особенно часто это наблюдается при сварке металла малой толщины, когда сварочная ванна по ширине значительно превышает толщину свариваемого металла. Наиболее распространенной мерой предупреждения прожогов и обеспечения формирования проплава требуемой формы является правильный выбор сварочных режимов и применение сварочных подкладок.

4.3. Параметры режима дуговой сварки и их влияние на форму и К основным параметрам дуговой сварки относятся сила сварочного тока IСВ, напряжение дуги UД, скорость сварки VСВ. Помимо того, условия сварки зависят от ряда дополнительных факторов, диаметра электрода, рода и полярности тока, положения электрода по отношению к ванне и др.

Сила сварочного тока в наибольшей степени определяет тепловую мощность дуги. При постоянном диаметре электрода с увеличением силы тока возрастает концентрация тепловой энергии в пятне нагрева, повышается температура газовой среды столба дуги, стабилизируется положение активных пятен на электродах. С увеличением силы тока дуги возрастают длина сварочной ванны, ее ширина и особенно глубина проплавления. В определенных пределах изменения силы тока глубина проплавления сварочной ванны может быть оценена зависимостью, близкой к линейной:

где k – коэффициент, зависящий от рода тока, полярности, диаметра электрода, степени сжатия дуги и др.

С увеличением напряжения дуги также возрастает тепловая мощность, а, следовательно, и размеры ванны. Наиболее интенсивно увеличиваются ширина и длина ванны. При постоянной силе тока повышение напряжения дуги незначительно сказывается на глубине проплавления. Путем медленного уменьшения длины дуги и соответственно напряжения ее можно подойти к процессу сварки погруженной дугой.

Изменение скорости сварки при постоянной тепловой мощности дуги заметно сказывается на размерах сварочной ванны и шва. С повышением скорости уменьшаются глубина проплавления и ширина ванны, а длина несколько увеличивается.

Важным параметром дуговой сварки является погонная энергия, представляющая отношение эффективной тепловой мощности дуги к скорости ее перемещения (скорости сварки). Этот параметр является обобщающим по отношению к основным параметрам сварочного режима и может быть представлен формулой:

Погонная энергия характеризует тепловложение в сварное соединение и представляет количество тепловой энергии, вводимое на единицу длины однопроходного шва. Этот параметр очень важен для оценки воздействия термического цикла сварки на основной и наплавленный металл шва. При постоянной погонной энергии повышение скорости сварки вызывает увеличение термического к.п.д. процесса, что связано с возрастанием глубины проплавления и уменьшением ширины сварочной ванны.

Дополнительными параметрами, определяющими условия сварки и особенности горения дуги, являются диаметр электрода, род тока и др.

Например, при постоянной силе тока диаметр электрода определяет плотность энергии в пятне нагрева и подвижность дуги. При неизменном значении погонной энергии можно изменять диаметр электрода, род тока и полярность, использовать колебания электрода или наклон его к поверхности изделия и др. Эти особенности процесса, в свою очередь, сказываются на формировании ванны и конечных размеров швов.

ВОПРОСЫ

Что понимают под термином «теплопроводность металла»?

Как отличаются характеры изотерм при неподвижном источнике нагрева и подвижном источнике нагрева?

Как основные параметры режима сварки влияют на форму и размеры сварочной ванны?

Как пространственное положение выполняемых швов влияют на геометрические параметры ванны?

Какие факторы влияют на формирование теплового поля при сварке?

Охарактеризуйте понятие погонной энергии и е определение при дуговой сварке?

От каких факторов зависит термический цикл сварки?

Что такое температурное поле и от каких параметров оно зависит?

Какие силы определяют формирование сварочной ванны?

10. Чем обусловлен нагрев электрода при сварке?

Глава 5. Основы металлургических процессов при сварке 5.1. Общие сведения и особенности сварочной металлургии По своей природе сварка является металлургическим процессом.

Металлургия сварки характеризуется теми физико-химическими процессами, которые протекают в сварочной зоне. Они определяются взаимодействием расплавленного металла со сварочными флюсами, шлаками и газами, а также охлаждением и кристаллизацией металла шва и превращениями основного металла в зоне термического влияния. Эти процессы протекают на всех стадиях дуговой сварки: в период плавления электрода, перехода капли жидкого металла через дуговой промежуток и в самой сварочной ванне.

Однако в отличие от общей металлургии, характерной для сталеплавильных агрегатов, условия протекания металлургических процессов при сварке отличаются рядом особенностей, влияющих как на ход их развития, так и на получаемые результаты. Такими особенностями являются:

1. Малый объем сварочной ванны и в то же время достаточно большие относительные количества реагирующих фаз в ней.

2. Высокие температуры в различных областях сварочной зоны и большой перегрев расплава в ванне.

3. Движение жидкого металла, интенсивное перемешивание расплавленных продуктов и их непрерывное обновление и обмен в сварочной ванне.

4. Высокие скорости охлаждения и кристаллизации наплавленного металла.

В этих условиях наблюдается активное взаимодействие расплавленного металла с окружающей газовой средой и флюсами, нагретыми до высоких температур. Протекание процессов происходит с большой скоростью.

Однако в связи с кратковременностью существования расплава и постоянного обновления взаимодействующих фаз чаще всего они не доходят до полного завершения и большинство реакций в сварочной зоне не достигает равновесного состояния. К тому же создаются условия, препятствующие полному очищению металла шва от различных неметаллических включений, оксидов и газов, которые из-за быстрого затвердевания расплава не успевают выходить на поверхность сварочной ванны и удаляться в шлак. С другой стороны, высокие скорости охлаждения и кристаллизации металла существенно отражаются на строении получаемых швов, приводят к мелкозернистой структуре их, уменьшению химической неоднородности, а в результате – повышению свойств литого металла шва.

Имеющие место металлургические процессы связаны с протеканием определенных химических реакций, в результате которых может происходить окисление или раскисление металла шва, легирование его определенными элементами, растворение и выделение в шве газов и др.

Некоторые из них ведут к ухудшению свойств получаемых соединений и являются нежелательными (например, окисление), другие способствуют повышению качества и свойств соединений и часто проводятся преднамеренно, например, раскисление. Поэтому в том или ином случае назначения условий сварки необходимо исходить из анализа прохождения всего комплекса физико-химических процессов, имея в виду, что общим результатом их должно быть получение металла шва с определенными свойствами и определенного химического состава. Это определяется не только составом присадочного и основного металла, но и в значительной степени зависит от характера и интенсивности реакций, протекающих в процессе сварки.

5.2. Основные процессы, протекающие при дуговой сварке Процессов, протекающих в условиях дуговой сварки, много.

Рассмотрим те, которые имеют общий характер во всех или большинстве случаев выполнения сварки.

Диссоциация газов и соединений. При диссоциации происходит распад более сложных компонентов на атомы или составные части. Этому процессу способствуют наличие высоких температур в зоне сварки и каталитическое действие расплавленного металла. При дуговой сварке в первую очередь диссоциации подвергаются молекулы газов как простых – кислород, азот, водород, так и сложных – углекислый газ СО2, пары воды Н2О и др.

Диссоциация газов происходит по реакциям:

Кислород и водород при температурах дуги практически полностью диссоциируют на атомы, азот диссоциирует в меньшей степени.

Диссоциация водяного пара в зависимости от температуры проходит по реакциям:

Следовательно, в зависимости от условий протекания реакций водяной пар может окислять или восстанавливать металл сварочной ванны.

Диссоциации подвергаются и более сложные соединения. Во многих электродных покрытиях и флюсах содержится плавиковый шпат CaF2. При высоких температурах он разлагается по реакции:

Атомы фтора, соединяясь с электронами, превращаются в ионы с малой подвижностью. Это ведет к снижению проводимости дугового промежутка и ухудшению стабильности дуги. Но в то же время атомы фтора способны связывать водород в молекулы HF, не растворяющиеся в металле ванны, уменьшая насыщение металла шва водородом.

В состав многих покрытий электродов входят карбонаты, например СаСО3. Разлагаясь при высоких температурах, они выделяют углекислый газ, который в свою очередь диссоциирует с образованием кислорода:

Находясь в атомарном состоянии, газы становятся химически активными и, реагируя с металлом, резко ухудшают его качество.

Окисление металла при сварке. Металл сварочной ванны может окисляться за счет кислорода, содержащегося в газовой среде и шлаках в зоне сварки. Кроме того, окисление может происходить и за счет оксидов (окалины, ржавчины), находящихся на кромках деталей и поверхности электродной проволоки. При нагреве имеющаяся в ржавчине влага испаряется, молекулы воды диссоциируют, а получающийся кислород окисляет металл. Окалина при плавлении металла превращается в оксид железа также с выделением свободного кислорода. При недостаточной защите сварочной ванны окисление происходит за счет кислорода воздуха.

Кислород с железом образует оксиды: FeO (22,3% О2), Fe304 (27,6% О2), Fe2О3 (30,1% О2). При высокой температуре сварочной дуги за счет атомарного кислорода в результате реакции Fe + О.

FeO образуется низший оксид, который при понижении температуры может переходить в другие формы высших оксидов.

Наибольшую опасность для качества шва представляет оксид FeO, способный растворяться в жидком металле. Этот оксид обладает температурой плавления меньшей, чем у основного металла. Поэтому при кристаллизации металла шва он затвердевает в последнюю очередь.

В результате он располагается в виде прослоек по границам зерен, что вызывает снижение пластических свойств металла шва. Чем больше кислорода в шве находится в виде FeO, тем сильнее ухудшаются его механические свойства. Высшие оксиды железа не растворяются в жидком металле и, если они не успевают всплывать на поверхность сварочной ванны, остаются в металле шва в виде шлаковых включений.

Железо может окисляться также за счет кислорода, содержащегося в СО2 и парах воды Н2О:

В процессе сварки кроме железа окисляются и другие элементы, находящиеся в стали, – углерод, кремний, марганец. При переходе капель электродного металла в дуге окисление элементов происходит в результате взаимодействия их с атомарным кислородом газовой среды дугового промежутка: С+ОСО, Мn+ОМnО, Si+2ОSiО2.

В сварочной ванне элементы окисляются при взаимодействии их с оксидом железа:

Окисление этих элементов приводит к уменьшению их содержания в металле шва. Кроме того, образующиеся оксиды могут оставаться в шве в виде различных включений, значительно снижающих механические свойства сварных соединений, особенно пластичность и ударную вязкость металла шва. Повышенное содержание кислорода вредно влияет и на другие свойства – уменьшает стойкость против коррозии, повышает склонность к старению металла, сообщает ему хладноломкость и красноломкость. Поэтому одним из условий получения качественного металла шва является предупреждение окисления его в первую очередь путем создания различных защитных сред.

Раскисление металла при сварке. Применяемые при сварке защитные меры не всегда обеспечивают отсутствие окисления расплавленного металла. Поэтому его требуется раскислить.

Раскислением называют процесс восстановления железа из его оксида и перевод кислорода в форму нерастворимых соединений с последующим удалением их в шлак. Окисление и раскисление, в сущности, представляют два направления протекания одного и того же химического процесса. В общем случае реакция раскисления имеет вид FeO+MeFe+МеО, где Me – раскислитель.

Раскислителем является элемент, обладающий в условиях сварки большим сродством к кислороду, чем железо. В качестве раскислителей применяют кремний, марганец, титан, алюминий, углерод. Раскислители вводят в сварочную ванну через электродную проволоку, покрытия электродов и флюсы. Ниже приведены наиболее типичные реакции раскисления.

Раскисление марганцем: Fe + MnFe+MnO.

Оксид марганца малорастворим в железе, но сам хорошо растворяет оксид железа FeO, увлекая его за собой в шлак.

Раскисление кремнием: 2FeO+Si2Fe+SiО2.

Оксид кремния плохо растворим в железе и всплывает в шлак.

Раскисление кремнием сопровождается реакциями образования более легкоплавких комплексных силикатов марганца, кремния и железа, которые лучше переходят в шлак:

Раскисление титаном: 2FeO+Ti=2Fe+TiO.

Титан – энергичный раскислитель, при этом образуются легкоплавкие титанаты марганца и железа:

Марганец, кремний и титан вводят в сварочную ванну через электродную проволоку, легируя ее через покрытие электрода или флюс, вводя соответствующие ферросплавы.

Раскисление углеродом: FeO+С=Fe+СО.

Образующийся оксид углерода выделяется в атмосферу в газообразном состоянии, вызывая сильное кипение сварочной ванны и образуя поры в шве. Для получения плотных швов реакцию раскисления углеродом следует «подавить» введением в сварочную ванну других раскислителей, например кремния.

Легирование металла шва. Осуществляется различными полезными примесями для улучшения качества металла шва, путем введения полезных элементов в электродные стержни или проволоку, а также в состав электродного покрытия. Такие элементы, как кобальт, никель и др., полностью усваиваются наплавленным металлом.

Элементы Mn и Si, участвующие в раскисление, при их достаточной концентрации в шлаке и электродном металле, также частично усваиваются, переходя в сварной шов.

Взаимодействие с азотом. Азот воздуха, попадая в столб дуги, разогревается и частично диссоциирует. В атомарном состоянии азот растворяется в жидком металле. В процессе охлаждения азот выпадает из раствора и взаимодействует с металлом, образуя ряд соединений – нитридов Fe2N, Fe4N. Атомарный азот может соединяться и с кислородом, образуя оксид азота NO, который, растворяясь в каплях электродного металла, переходит в сварочную ванну. Содержание азота в металле шва вредно влияет на его механические свойства, особенно пластичность. Кроме того, насыщение металла азотом способствует образованию газовых пор. Снижение азота проводят для защиты расплавленного металла от воздуха или введения в него химических элементов, удаляющих азот в виде неметаллических включений.

Взаимодействие с водородом. Водород может попасть в зону сварки из влаги покрытия электрода или флюса, ржавчины на поверхности сварочной проволоки и детали, из воздуха. Атомарный водород хорошо растворяется в жидком металле, и с увеличением температуры нагрева растворимость увеличивается. Важной закономерностью в поведении газов является скачкообразное изменение их растворимости в металле при фазовых изменениях его и особенно при переходе из жидкого состояния в твердое (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Растворимость водорода в свариваемом металле При охлаждении и кристаллизации сварочной ванны выделяющийся водород не успевает полностью удаляться из металла шва. Это приводит к образованию в нем газовых пор. Кроме того, атомы водорода, диффундируя в имеющиеся полости и несплошности в затвердевающем металле, приводят к повышению в них давления, развитию в металле внутренних напряжений и образованию микротрещин. Снижение газонасыщения швов проводят за счет качественной защиты расплавленного металла при сварке очисткой и прокалкой свариваемого и сварочных материалов.

Реакции с серой и фосфором. Сера и фосфор являются вредными примесями в сталях. В сварочную ванну они попадают из основного металла, сварочной проволоки и иногда из покрытия электродов или флюса. В металле сера и фосфор могут находиться в виде соединений – сульфидов и фосфидов, хорошо растворимых в железе. Наличие в металле шва серы и фосфора снижает его механические свойств, сильно повышает склонность к образованию трещин и снижает ударную вязкость. Поэтому рафинирование, очистка металла от серы и фосфора, имеет целью уменьшение общего содержания FeS и FeP.

Рафинирование осуществляют путем связывания серы и фосфора в химические соединения, нерастворимые в стали и удаляемые в шлак, по реакциям:

При этом MnS, CaS и Са3Р2О8 переходят в шлак. Следует контролировать состав применяемых для сварки материалов (металла, покрытия, флюса) и не допускать содержания в них серы и фосфора выше норм.

5.3. Кристаллизация сварочной ванны Сварной шов при дуговой сварке формируется путем кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны.

Кристаллизацией называют процесс образования кристаллов металла из расплава при переходе его из жидкого в твердое состояние.

Образующиеся при этом кристаллы металла принято называть кристаллитами.

Сварочная ванна условно может быть разделена на две области:

переднюю (головную) и заднюю (хвостовую). В передней части горит дуга и происходит нагревание и расплавление металла, а в хвостовой – охлаждение и кристаллизация расплава. В процессе образования шва различают первичную и вторичную кристаллизации. Первичной кристаллизацией называют непосредственный переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием первичных кристаллитов (зерен). Она происходит при высоких скоростях охлаждения и затвердевания. Теплота отводится в основной металл, окружающий сварочную ванну. В общем виде процесс кристаллизации состоит из двух стадий: образования центров кристаллизации (зародышей) и роста кристаллов от этих центров. При первичной кристаллизации металла шва в качестве центров кристаллизации являются поверхности оплавленных зерен основного металла, окружающих сварочную ванну.

При этом между основным металлом и металлом шва возникают общие зерна. Условную поверхность раздела между зернами основного металла и кристаллитами шва называют зоной сплавления при сварке.

В процессе затвердевания в расплаве могут появляться и новые центры кристаллизации – тугоплавкие частицы примесей, обломки зерен и т.п.

При многослойной сварке центрами кристаллизации являются поверхности выросших кристаллитов предыдущего слоя. Рост кристаллитов происходит в результате присоединения к их поверхности отдельных атомов из окружающего расплава. В зависимости от формы и расположения кристаллитов в строении затвердевшего металла шва различают столбчатую и зернистую структуру. При столбчатой структуре кристаллиты имеют определенную ориентированность – вытянуты в одном направлении, противоположном направлению теплоотвода. В свою очередь, столбчатые кристаллиты сами могут иметь ячеистое, ячеисто-дендритное или дендритное строение. При ячеистом строении столбчатый кристаллит растет от поверхности общего центра в виде пачки тонких кристаллов, расположенных в пределах одного зерна и ориентированных в одном направлении. Это наблюдается при высокой скорости отвода теплоты. По мере снижения скорости теплоотвода характер строения его изменяется, переходя к ячеисто-дендритной и дендритной форме. При дендритном строении в кристаллите помимо осей первого порядка получают развитие и оси второго и третьего порядков.

При зернистой структуре металла шва кристаллиты не имеют определенной ориентировки, а по форме напоминают многогранники.

Такая структура обычно характерна для основного металла, а также может встречаться в швах с большим объемом сварочной ванны и при кристаллизовавшийся металл шва в большинстве случаев имеет столбчатое строение. В зависимости от условий сварки размеры столбчатых кристаллитов изменяются в широких пределах. При дуговой сварке их размер в поперечном сечении обычно порядка 0,3–3,0 мм.

Первичная кристаллизация металла сварочной ванны носит прерывистый характер. После начала кристаллизации через некоторое время происходит задержка в росте кристаллитов в связи с выделением скрытой теплоты плавления металла. По мере отвода теплоты процесс роста вновь убыстряется до следующей задержки. Так повторяется до полного затвердевания всей ванны. В результате этого сварные швы имеют характерное слоистое строение (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Схема кристаллизации расплава в сварочной ванне: 1 – зона сплавления; 2 – зерна основного металла; 3 – кристаллизационные слои;

4 – растущие кристаллы Толщина кристаллизационных слоев измеряется в пределах от десятых долей до нескольких миллиметров в зависимости от объема ванны и условий теплоотвода. Столбчатые кристаллиты каждого последующего слоя являются продолжением кристаллитов предыдущего слоя. В итоге образующиеся кристаллиты как бы прорастают из слоя в слой. Характер получаемой структуры и расположения кристаллитов в металле шва во многом определяются формой сварочной ванны и схемой ее кристаллизации. Кристаллиты растут перпендикулярно границе сплавления в направлении, противоположном отводу теплоты. При кристаллизации сварочной ванны с узким, глубоким проплавлением кристаллиты растут от противоположных стенок навстречу друг другу. При этом перед фронтом кристаллизации накапливаются различного рода примеси. В результате по оси шва, в месте стыка вершин кристаллитов, растущих с противоположных сторон ванны, образуется область ослабления, в которой могут располагаться разные включения (рис. 5.3, а).

Рис. 5.3. Схема кристаллизации расплава в зависимости от формы сварочной ванны: а – узкая сварочная ванна с глубоким проплавлением;

б – широкая сварочная ванна При затвердевании широкой сварочной ванны с небольшим проплавлением схема кристаллизации существенно отличается – кристаллиты соприкасаются не вершинами, а боковыми гранями, а примеси, концентрирующиеся перед фронтом кристаллизации, вытесняются на поверхность шва в виде шлаков. Такие швы более устойчивы против образования трещин (рис. 5.3, б).

В процессе кристаллизации состав жидкого металла ванны непрерывно изменяется. Поэтому одновременно с кристаллизацией в нем развиваются диффузионные процессы, стремящиеся к однородному составу металла как внутри кристаллитов, так и между затвердевшими кристаллитами и еще оставшимся жидким расплавом. Однако из-за различия скоростей роста кристаллитов и процессов диффузии, являющихся более медленными, полного выравнивания состава не происходит. Это приводит к возникновению неравномерности в распределении элементов сплава свариваемого шва – химической неоднородности металла шва. Различают макроскопическую и микроскопическую неоднородность. Первый вид характеризуется неравномерностью состава в отдельных областях металла по сечению шва (зональная ликвация). При микроскопической неоднородности наблюдается неравномерность состава металла в пределах отдельных кристаллитов (микроскопическая ликвация). За счет ликвации создается химическая неоднородность металла шва. Преимущественное развитие в сварных швах обычно имеет внутридендритная неоднородность.

Интенсивность проявления ликвационных процессов зависит от условий сварки. Чем больше скорость затвердевания металла, тем в меньшей степени проявляется ликвация. Вид и степень химической неоднородности оказывают существенное влияние на свойства металла шва, стойкость его против образования трещин и др.

Изучение и анализ строения металла шва проводят путем выявления его кристаллического строения на специально приготовленных шлифах поперечных и продольных сечений. При этом различают понятия «макроструктура» и «микроструктура».

Макроструктурой называют строение металла шва, выявляемое при осмотре невооруженным глазом или при небольших увеличениях с помощью луп или бинокулярных микроскопов. При этом удается выявлять общий характер строения металла (столбчатое, зернистое), форму провара, наличие дефектов (поры, трещины, включения и т.п.).

Микроструктура металла шва характеризует его тонкое строение, выявляемое на шлифах с помощью металлографических микроскопов с высокой степенью увеличения (строение кристаллитов, наличие внутридендритной ликвации, микродефектов).