Основы теории сварочных процессов
Согласно ГОСТ 2601–84, сваркой называется процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании. Для получения сварных, т. е. полученных с помощью сварки, соединений не требуется применения каких-либо специальных соединительных элементов (заклепок, накладок и т. п.). Сварные соединения применяют для соединения деталей из разных материалов, в том числе неметаллов – пластмасс, керамики, стекла или их сочетаний. Но чаще всего с помощью сварки соединяют металлические детали. Образование неразъемного соединения в них обеспечивается за счет проявления действия внутренних сил системы. Для сварных соединений характерно возникновение металлической связи, обусловленной взаимодействием ионов и обобществленных электронов.
Для соединения двух металлов в единое целое недостаточно простого соприкосновения поверхностей соединяемых деталей. Необходимо настолько сократить расстояние между их атомами, чтобы преодолеть существующий между ними энергетический барьер и чтобы силы взаимного притяжения начали активизироваться. Для этого соединяемые атомы должны получить энергию извне. Благодаря ей атомы получат соответствующее смещение, позволяющее им занять в общей атомной решетке устойчивое положение, т. е. достигнуть равновесия между силами притяжения и отталкивания. Энергию извне называют энергией активации. Ее при сварке вводят путем нагрева (термическая активация) или пластического деформирования (механическая активация). Соприкосновение свариваемых частей и применение энергии активации являются необходимыми условиями для образования неразъемных сварных соединений.
Виды сварки
При классификации процессов сварки выделяют три основных физических признака: форму вводимой энергии, наличие давления и вид инструмента – носителя энергии. Остальные признаки условно отнесены к техническим и технологическим. Такая классификация использована в ГОСТ 19521–74. По виду вводимой в изделие энергии все основные сварочные процессы, включая сварку, пайку и резку, разделены на термические (Т), термомеханические, или термопрессовые (ТМ), и механические (М). Т-процессы осуществляются без давления (сварка плавлением), остальные – обычно только с давлением (сварка давлением). Форма энергии, применяемой в источнике энергии для сварки (электрическая, химическая и др.), как классификационный признак в стандарте не использована, так как она характеризует главным образом не процесс, а оборудование для сварки.
Все известные в настоящее время процессы сварки металлов осуществляются за счет введения только двух видов энергии – термической и механической или при их сочетании. Соответственно различают два вида сварки: сварку плавлением и сварку давлением.
Сварка давлением. Образование сварного соединения при сварке давлением происходит за счет пластического деформирования свариваемых частей без расплавления металла и перехода его в жидкое состояние.
Пластическое деформирование стыка свариваемых кромок производится статической либо ударной нагрузкой, например сваркой взрывом. Для осуществления холодной сварки достаточно применить механическое усилие сжатия. Иногда при сварке давлением применяют местный нагрев. Из рис. 1 видно, что при увеличении температуры нагрева металла для сварки давлением требуются меньшие усилия.
Рис. 1. Схемы возможных областей сварки давлением и плавлением в зависимости от температуры (Т) и давления (Р)
При пластической деформации в зоне свариваемых кромок разрушаются окисные пленки и поверхности сближаются до расстояний возникновения межатомных связей. Зона, где образовались межатомные связи соединяемых частей при сварке давлением, называется зоной соединения.
Характер процесса сварки давлением с нагревом может быть и другим. Например, при контактной стыковой сварке оплавлением свариваемые кромки первоначально оплавляются, а затем пластически деформируются. При этом часть пластически деформированного металла совместно с некоторыми загрязнениями выдавливается наружу, образуя грат.
Сварка плавлением. Сущность сварки плавлением состоит в том, что при температурах выше Тпл (рис. 1) жидкий металл одной оплавленной кромки самопроизвольно соединяется и в какой-то мере перемешивается с жидким металлом второй оплавленной кромки. Так создается общий объем жидкого металла – сварочная ванна. Плавление основного и присадочного материалов в процессе сварки происходит под действием концентрированной энергии, вызванной сварочной дугой, пламенем горелки или каким-либо другим способом. Если в зону сварки не подается дополнительный металл, то сварочная ванна образуется только за счет основного соединения. Но чаще сварочная ванна получается смешиванием основного и присадочного металла, вносимого непосредственно в зону сварки электродом, сварочной проволокой и т. д.
Энергия теплового источника (электрической дуги, газового пламени и т. п.) расходуется на нагрев металла детали, на расплавление электрода или присадочного материала, на плавление защитного флюса (покрытия электрода) и на тепловые потери. Распределение температуры в свариваемом металле зависит от мощности источника тепла, физических свойств металла (теплоемкость, температура плавления и др.), размеров конструкции, скорости перемещения и т. д.
На рис. 2 показаны изотермы – овальные кривые, сгущающиеся впереди движущегося при сварке источника тепла (электрической дуги, пламени горелки). Изотерма 1600 °C – это температура плавления стали, она определяет ориентировочный размер сварочной ванны. Изотерма 1000 °C указывает на зону перегрева металла, изотерма 800 °C показывает зону закалочных явлений, а 500 °C – зону отпуска.
Рис. 2. Схема изотерм при сварке
Затвердевание расплавленного металла, происходящее в хвостовой части ванны, называется кристаллизацией. Динамика этого процесса такова: сварочная дуга, направленная в головную часть ванны, повышает в этой области температуру, в результате чего происходит плавление основного и электродного металлов. Механическое давление, оказываемое дугой на жидкую фазу основного и дополнительного металлов, вызывает их перемешивание и перемещение в хвостовую часть ванны. Таким образом, давление, вызванное дугой, приводит к вытеснению металла из основания ванны и открывает доступ к следующим слоям, где поддерживается необходимая для плавления температура. По мере удаления металла от зоны плавления отвод тепла начинает преобладать над его притоком, и температура жидкой фазы снижается. Расплавленные фазы основного и электродного металлов перемешиваются между собой и, затвердевая, образуют общие кристаллы, что обеспечивает монолитность сварного соединения.
Снижение температуры в хвостовой части ванны происходит за счет усиленного теплоотвода в прилегающий холодный металл, так как его масса по сравнению с ванной значительно преобладает. Кристаллы металла начинают формироваться от готовых центров основного металла в направлении ведения сварки и принимают форму кристаллических столбов, вытянутых в сторону, противоположную теплоотводу.
После охлаждения и кристаллизации металла сварочной ванны получается металл сварного шва, соединяющий детали. Поскольку сварной шов образуется за счет расплавления металла электрода и частично основного металла, в зоне сплавления кристаллизуются зерна, принадлежащие как основному, так и присадочному металлу (рис. 3, а).
Рис. 3. Зоны сварного шва (а) и возможные дефекты в нем (б)
Свойства сварного соединения определяются характером тепловых воздействий на металл в околошовных зонах. Зона вблизи границы оплавленной кромки свариваемой детали и шва, содержащая образовавшиеся межатомные связи, называется зоной сплавления. В поперечном сечении сварного соединения она измеряется микрометрами, но роль ее в прочности металла очень велика.
В зоне термического влияния (ЗТВ) из-за быстрого нагрева и охлаждения металла в нем происходят структурные изменения. Следовательно, сварной шов может получиться прочным и пластичным, но из-за термических воздействий на деталь качество сварки в целом будет низким (рис. 3, б).
Величина ЗТВ составляет при ручной электродуговой сварке для обычного электрода 2–2,5 мм, а для электродов с повышенной толщиной покрытия – 4–10 мм. При газовой сварке ЗТВ существенно возрастает – до 20–25 миллиметров.
ЗТВ характеризуется неравномерным распределением максимальных температур нагрева; в этой зоне можно различать участки: старения (200–300 °C); отпуска (250–650 °C); неполной перекристаллизации (700–870 °C); нормализации (840–1000 °C); перегрева (1000–1250 °C); околошовный участок, примыкающий к линии сплавления (1250–1600 °C). При этом возможны два предельных случая: резкая закалка при быстром охлаждении околошовного участка и перегрев при медленном охлаждении с образованием крупных зерен аустенита.
Высокотемпературные фазы железоуглеродистых сплавов подразделяются:
● на феррит (твердый раствор внедрения C в α-железе с объемно-центрированной кубической решеткой);
● аустенит (твердый раствор внедрения C в γ-железе с гранецентрированной кубической решеткой);
● цементит (карбид железа Fe3C, метастабильная высокоуглеродистая фаза);
● графит (стабильная высокоуглеродистая фаза).
Особое значение для процесса сварки сталей и чугунов имеет аустенит. Он не магнитен, сравнительно мягкий, углерода содержит не более 2 %. В равновесном состоянии аустенит существует только при высоких температурах, начиная с 723 °C. Имеет форму полиэдрических зерен, размеры которых увеличиваются в процессе выдержки при высоких температурах.
Всего в настоящее время различают более 150 видов сварочных процессов, под которыми в настоящее время понимают достаточно широкую группу технологических процессов соединения, разъединения (резки) и локальной обработки материалов, как правило, с использованием местного нагрева изделий. Примерами сварочных процессов могут служить: сварка, наплавка, пайка, пайка-сварка, сварка-склейка, напыление, спекание, термическая резка и др.
Сварка плавлением, особенно с применением электрической энергии, на сегодняшний день является наиболее востребованной. По способу нагрева этот вид делится на электродуговую, электрошлаковую, электроконтактную и электронно-лучевую[1]. Соответственно, для нагрева свариваемых кромок металла используются разные источники: электрическая дуга, теплота расплавленного шлака, энергия электронного или лазерного излучения, плазма, печь. Металл шва может образовываться как за счет оплавленных кромок, так и за счет дополнительного присадочного металла. Межатомные связи в таком соединении при сварке плавлением образуются за счет расплавления кромок, смачивания их между собой либо расплавления их присадочным металлом.
Зона вблизи границы оплавленной кромки называется зоной сплавления. Ширина ее очень мала (микрометры), но роль в прочности соединения исключительно велика, ведь именно здесь образуются межатомные связи.
Для всех термических процессов сварки плавлением, независимо от вида носителя энергии, в стык она вводится всегда путем расплавления металла. В термомеханических и механических процессах преобладают внутренние носители энергии, в которых ее преобразование в теплоту происходит главным образом вблизи контакта соединяемых изделий – стыка.
Существует довольно много промышленных технологий соединения металлов помимо рассмотренных выше. Это, например, диффузионная сварка в вакуумной установке с высокотемпературным нагревом, сварка трением (при вращении одной из соединяемых частей свариваемого изделия), сварка взрывом, сварка ультразвуком и др. Впрочем, некоторые виды вполне успешно можно применять и в небольших мастерских.
Экзотермическая (термитная) сварка. Это сварка деталей расплавленным металлом, образованным в ходе химической реакции, сопровождающейся высокой температурой (большим количеством тепла). Основным компонентом этого вида сварки является термитная смесь. Такой способ обеспечивает возможность создания связей на молекулярном уровне для разных материалов без каких-либо внешних источников энергии или тепла: медь – медь; медь – оцинкованная сталь; медь – «черная» сталь; медь – омедненная сталь; медь – нержавеющая сталь; медь – бронза; медь – латунь; и даже сталь – сталь.
Кузнечная сварка. Первый в истории вид сварки. Соединение материалов осуществляется за счет возникновения межатомных связей при пластическом деформировании инструментом (ковочным молотом). В настоящее время в промышленности практически не используется, но поддерживается кустарными промыслами и мелкотоварным производством, в основном для изготовления модных кованых изделий – ворот, оград, предметов интерьера и т. п.
Контактная сварка. При контактной сварке происходят два последовательных процесса: нагрев свариваемых изделий до пластического состояния и их совместное пластическое деформирование. Основными разновидностями такого метода являются точечная контактная сварка и шовная сварка. В промышленности применяют также стыковую сварку сопротивлением, стыковую сварку непрерывным оплавлением и рельефную сварку.
При точечной сварке детали зажимаются в электродах сварочной машины или в специальных сварочных клещах (рис. 4). После этого между электродами начинает протекать большой ток, который разогревает металл деталей в месте их контакта до температур плавления. Затем ток отключается и осуществляется «проковка» за счет увеличения силы сжатия электродов. Металл кристаллизуется при сжатых электродах, и образуется сварное соединение.
Рис. 4. Контактная точечная сварка:
1 – свариваемые детали; 2 – электроды; 3 – усилие сжатия; 4 – сварочная ванна
Другой подвид точечной сварки – шовная сварка. Подача изделия вдоль шва здесь выполняется вращающимися роликами. Через ролики подводится сварочный ток кратковременными импульсами (доли секунд) с небольшими паузами, образуя сварные точки, перекрывающие краями друг друга. Этим создается непрерывность шва. Такой метод применяется для сварки бензобаков, огнетушителей, фляг и т. п.
Чаще всего применяются в быту и мелкосерийном производстве электродуговая сварка и газовые сварка и резка. Они и будут рассмотрены в данной книге наиболее подробно. Но вначале следует определиться со специфической терминологией, применяемой для описания сварочных процессов.
Сварочная терминология
Металлическую конструкцию, изготовленную с помощью 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 (ЗТВ), в которой в результате теплового воздействия сварки произошли структурные и другие изменения, и примыкающие к ней участки основного металла.
Наплавкой называется нанесение посредством сварки плавлением слоя металла на поверхность изделия.
Сварной шов представляет собой участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны. Сварочная ванна – это часть металла свариваемого шва, находящаяся при сварке плавлением в жидком 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 расплавленным основным и наплавленным металлами или только переплавленным основным металлом, называют металлом шва.
Слой сварного шва – это часть металла шва, которая состоит из одного или нескольких валиков, располагающихся на одном уровне поперечного сечения шва. Валик представляет собой металл шва, наплавленный или переплавленный за один проход. Под проходом понимают однократное перемещение в одном направлении источника тепла при сварке и (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.
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. Кроме того, технологию выполнения сварных швов описывает целый ряд характеристик.
Так, по характеру выполнения сварные швы могут быть одно- и двусторонними, а по числу слоев – одно- и многослойными, а также многопроходными. В зависимости от расположения швов в конструкции сварку выполняют в разных положениях: нижнем, горизонтальном, вертикальном и потолочном. Сварные швы также подразделяются по положению в пространстве: «в лодочку», нижние, полугоризонтальные, горизонтальные, полувертикальные, вертикальные, полупотолочные и потолочные. По протяженности различают швы непрерывные и прерывистые. А по отношению к направлению действующего усилия швы подразделяют на продольные, поперечные, комбинированные и косые.
Различают сварные швы и в зависимости от типа сварных соединений, которые бывают стыковыми, угловыми, торцовыми, тавровыми и нахлесточными. Однако в этом случае определены только два вида сварных швов: стыковые и угловые. Эти и все вышеперечисленные параметры будут в дальнейшем рассмотрены подробно.
Сварные соединения и швы
Сварные соединения могут быть стыковыми, угловыми, тавровыми и нахлесточными (рис. 5).
Рис. 5. Сварные соединения:
а – стыковое; б – угловое; в – нахлесточное; г – тавровое; д – торцовое
Стыковым называется сварное соединение двух элементов, расположенных в одной плоскости или на одной поверхности и примыкающих друг к другу торцами.
Угловым называется соединение двух элементов, расположенных под углом и сваренных в месте примыкания их краев.
Нахлесточным называется сварное соединение, в котором свариваемые элементы расположены параллельно и перекрывают друг друга. Разновидностью нахлесточного является торцовое соединение, в котором боковые поверхности свариваемых элементов примыкают друг к другу.
Тавровым называется сварное соединение, в котором к боковой поверхности одного элемента примыкает под углом и приварен торцом другой элемент.
Часть конструкции, в которой сварены примыкающие друг к другу элементы, называется сварным узлом.
Сварные швы могут быть стыковыми и угловыми (рис. 6, а – г). Стыковой шов – сварной шов стыкового соединения. Угловой шов – сварной шов углового, таврового и нахлесточного соединений. Разновидностью этих типов являются швы пробочные и прорезные, выполняемые в нахлесточных соединениях.
Рис. 6. Сварные швы:
а – стыковые; б – угловые; в – пробочные; г – прорезные; д – непрерывные; е – прерывистые цепные; ж – прерывистые шахматные; з – односторонние; и – двусторонние; к – многослойные (показано 2 слоя); л – основные и промежуточные пространственные положения сварных швов (I – нижнее; II – вертикальное или горизонтальное; III – потолочное); м – о – прихватки
По форме в продольном направлении сварные швы могут быть непрерывными, прерывистыми, одно- и многослойными, одно- и двусторонними (рис. 6, д – к). С помощью стыковых швов образуют в основном стыковые соединения, с помощью угловых швов – тавровые, крестовые, угловые и нахлесточные, с помощью пробочных и прорезных швов могут быть образованы нахлесточные и иногда тавровые соединения.
В зависимости от формы и размеров изделия швы можно выполнять в различных пространственных положениях. Швы разделяют на нижние, вертикальные, горизонтальные и потолочные (рис. 6, л). Горизонтальные швы выполняют на вертикальной плоскости в горизонтальном направлении. Согласно ГОСТ 11969–79, швы по положению в пространстве подразделяются: на нижние – Н и нижние «в лодочку» – Л; полугоризонтальные – Пг; горизонтальные – Г; полувертикальные – Пв; вертикальные – В; полупотолочные – Пп; потолочные – П.
Сварные швы, применяемые для фиксации взаимного расположения, размеров и формы собираемых под сварку элементов, называются прихватками. Длина каждой прихватки составляет от 3 до 6 толщин свариваемого металла, расстояние между ними выдерживается от 20 до 40 толщин. Ставят прихватки с лицевой стороны соединения, очищают от шлака, а при сварке полностью удаляют или полностью переплавляют. На коротких и средних швах прихватки расставляют от центра к краям, поочередно в каждую сторону (рис. 6, м). На длинных швах поступают наоборот – прихватывают вначале края, затем центр и поочередно с каждой стороны двигаются от краев к центру (рис. 6, н). При кольцевых швах (рис. 6, о) прихватки ставят попеременно по главным координатным осям (под 90°), а при необходимости – и по дополнительным диагоналям (под 45°).
Стыковые швы, как правило, выполняют непрерывными; отличительным признаком для них обычно служит форма разделки кромок[2] соединяемых деталей в поперечном сечении (рис. 7, а – е). По этому признаку различают следующие основные типы стыковых швов: с отбортовкой кромок (применяются при газовой сварке тонкого металла); без разделки кромок – односторонние (при толщине свариваемых деталей 1–6 мм) и двусторонние (при толщине деталей 3–8 мм); с разделкой одной кромки – односторонней, двусторонней (до 60 мм); с прямолинейной или криволинейной формой разделки; с односторонней разделкой двух кромок; с V-образной разделкой; с двусторонней разделкой двух кромок; с Х-образной разделкой (с толщиной деталей до 120 мм). Разделка может быть образована прямыми линиями (скос кромок) либо иметь криволинейную форму (U-образная разделка).
Угловые швы различают по форме подготовки свариваемых кромок в поперечном сечении и степени непрерывности шва по длине (рис. 7, ж – и). По форме поперечного сечения швы могут быть без разделки кромок (при толщине свариваемых деталей от 2 до 30 мм), с односторонней разделкой кромки (3–60 мм), с двусторонней разделкой кромок (до 100 мм). По протяженности угловые швы могут быть непрерывными и прерывистыми, с шахматным и цепным расположением отрезков шва (рис. 6, д – ж). Тавровые, нахлесточные и угловые соединения могут быть выполнены отрезками швов небольшой протяженности – точечными швами.
Рис. 7. Подготовка кромок стыковых (а – е) и угловых (ж – и) швов:
а – с отбортовкой кромок; б – без разделки кромок; в – с разделкой одной кромки: г – с односторонней разделкой двух кромок; д – с Х-образной разделкой двух кромок; е – с U-образной разделкой; ж – без разделки; з – с односторонней разделкой; и – с двусторонней разделкой; к – конструктивные элементы разделки
Пробочные швы по своей форме в плане (вид сверху) обычно имеют круглую форму и получаются в результате полного проплавления верхнего и частичного проплавления нижнего листов (их часто называют электрозаклепками) либо путем проплавления верхнего листа через предварительно проделанное отверстие.
Прорезные швы, обычно удлиненной формы, получают путем приварки верхнего (накрывающего) листа к нижнему угловым швом по периметру прорези. В отдельных случаях прорезь может заполняться и полностью.
Подготовку кромок при ручной сварке регламентирует ГОСТ 5264–80. Чаще всего приходится разделывать кромки при сварке металла большой толщины. Форму разделки кромок и их сборку под сварку характеризуют четыре основных конструктивных элемента: зазор b, притупление с, угол скоса кромки β и угол разделки кромок α, равный β или 2β (рис. 7, к). Стандартный угол разделки кромок, в зависимости от способа сварки и типа соединения, изменяется в пределах от 45 ± 2° до 12 ± 2°. Тип разделки и величина угла разделки кромок определяют количество необходимого дополнительного металла для заполнения разделки, а значит, производительность сварки. Так, например, Х-образная разделка кромок по сравнению с V-образной позволяет уменьшить объем наплавленного металла в 1,6–1,7 раза. Уменьшается время на обработку кромок. Правда, в этом случае возникает необходимость вести сварку с одной стороны шва в неудобном потолочном положении или кантовать свариваемые изделия.
Притупление кромки, т. е. нескошенная часть торца кромки, подлежащей сварке, обычно составляет 2 ± 1 мм и выбирается в зависимости от толщины свариваемого металла. Его назначение – обеспечить правильное формирование шва и предотвратить прожоги в корне шва. Зазор b обычно равен 1–2 мм (допускается до 5 мм), так как при принятых углах разделки кромок наличие зазора необходимо для провара корня шва. Чем больше зазор, тем глубже проплавление металла.
Основными геометрическими параметрами сварных швов являются: при стыковых соединениях – ширина, выпуклость и глубина проплавления шва; при угловых, тавровых и нахлесточных соединениях – ширина, толщина и катет шва (рис. 8, г – д).
Рис. 8. Виды сварных швов (а – плоский; б – выпуклый; в – вогнутый) и характеристики стыкового (г) и углового (д) швов:
е – ширина шва; h – глубина проплавления; g – выпуклость шва; а – толщина шва; k – катет шва
Глубина проплавления стыкового шва (h) – наибольшая глубина расплавления основного металла в сечении шва.
Толщина углового шва (а) – наибольшее расстояние от поверхности углового шва до точки максимального проплавления основного металла.
Катет углового шва (k) – кратчайшее расстояние от поверхности одной из свариваемых частей до границы углового шва на поверхности второй свариваемой части. При симметричном угловом шве за расчетный катет принимается любой из равных катетов, при несимметричном шве – меньший.
Выпуклость сварного шва (g) – выпуклость шва, определяемая расстоянием между плоскостью, проходящей через видимые линии границы сварного шва с основным металлом, и поверхностью сварного шва, измеренным в месте наибольшей выпуклости.
Основным показателем формы швов является коэффициент формы сварного шва (ψ). Для стыкового шва этот коэффициент равен отношению ширины шва к глубине проплавления ψ = e/h; для углового шва – отношению ширины к толщине шва ψ = е/а. Форма и размеры сварного шва существенно влияют на качество сварного соединения. При ручной сварке покрытыми электродами коэффициент формы провара колеблется в пределах ψ = 1,0–2,5.
Таким образом, по форме наружной поверхности стыковые швы могут быть нормальными (плоскими), выпуклыми или вогнутыми (рис. 8, а – в). Причем вогнутость стыковых швов недопустима, это является серьезным браком сварки.
Угловые швы выполняются выпуклыми, плоскими, вогнутыми. Вогнутость угловых швов при сварке во всех пространственных положениях допускается не более 3 мм. Выпуклость сварных швов допускается не более 2 мм при сварке в нижнем положении и не более 3 мм при сварке в остальных положениях. Допускается увеличение выпуклости сварных швов, выполненных в вертикальном, горизонтальном и потолочном положениях на 1 мм при толщине основного металла до 26 мм и на 2 мм при толщине основного металла свыше 26 миллиметров.
Сварные соединения с выпуклыми (стыковыми и угловыми) швами лучше работают на статическую нагрузку. Но чрезмерно выпуклые швы нежелательны из-за повышенного расхода электродов и электрической энергии, а также из-за концентрации напряжений в точках пересечения поверхности шва с основным металлом.
Сварные соединения с плоскими (стыковыми и угловыми) и вогнутыми (угловыми) швами лучше работают на переменную и динамическую нагрузку, так как нет резкого перехода от основного металла к сварному шву. В противном случае создается концентрация напряжений, от которых может начаться разрушение сварного соединения.
Для всех типов швов важны полный провар кромок соединяемых элементов и внешняя форма шва как с лицевой, так и с обратной стороны. В стыковых, особенно односторонних, швах трудно проваривать кромки притупления на всю их толщину без специальных приемов, предупреждающих прожог и обеспечивающих хорошее формирование обратного валика.
Большое значение также имеет образование плавного перехода металла лицевого и обратного валиков к основному металлу, так как это обеспечивает высокую прочность соединения при динамических нагрузках. В угловых швах также бывает трудно проварить корень шва на всю его толщину, и тогда рекомендуется вогнутая форма поперечного сечения шва с плавным переходом к основному металлу. Это снижает концентрацию напряжений в месте перехода и повышает прочность соединения при динамических нагрузках.
Химический состав сварного шва
Химический состав сварного шва значительно отличается от состава основного металла, так как в этой области происходит перемешивание основного и электродного металлов, различных присадок, используемых при сварке, а также продуктов реакций взаимодействия жидкой фазы с атмосферными газами и защитными средствами. Соотношение отдельных компонентов, сварного шва зависит от способа наложения шва, режимов сварки. К примеру, если сварной шов ведется с разделкой, то доля основного металла в структуре шва значительно снижается. Состав металла шва определяют с учетом коэффициента перехода n, показывающего, какая доля металла, содержащегося в электродной проволоке, переходит в металл шва. Величина этого коэффициента изменяется в широких пределах (0,3–0,95) в зависимости от химической активности элемента, вида и технологии сварки и др.
В процессе сварки расплавленный металл активно вступает в реакцию с атмосферными газами, поглощая их и тем самым снижая механические качества сварного шва. Так, при дуговой сварке дуга, контактирующая с металлом, состоит из смеси N2, O2, Н2, СO2, СО, паров Н2О, паров металла и шлака. В зоне плавления металла происходит процесс диссоциации – распад молекул на атомы. Под воздействием высоких температур молекулярный азот, водород и кислород распадаются и переходят в атомарное состояние, при котором активность газов значительно повышается.
К примеру, атомы кислорода начинают активно растворяться в жидкой фазе металла, а при достижении предела растворимости начинается химическое взаимодействие, сопровождающееся образованием оксидов. В результате этого примеси и легирующие элементы, содержащиеся в металле, окисляются. С повышением содержания кислорода в металле шва снижаются предел прочности, предел текучести, ударная вязкость. Кроме того, ухудшается коррозионная стойкость и жаропрочность сталей. Кислород попадает в зону сварки из окружающего воздуха, из влаги, находящейся на свариваемых кромках и флюсах, с покрытия электродов. Удаление кислорода из расплавленного металла достигается за счет введения в сварочную ванну кремния и марганца, которые взаимодействуют с оксидом железа, образуя шлак. Шлак в процессе кристаллизации образует на поверхности шва твердую корку, которая удаляется механическим путем.
Растворение азота в жидкой фазе большинства конструктивных металлов сопровождается образованием соединений, называемых нитридами. Это приводит к старению металла и повышению его хрупкости. Азот попадает в зону сварки из окружающего воздуха, и для недопущения образования нитридов сварочную ванну изолируют средой защитных газов. Защиту сварного шва осуществляют при сварке легированных, жаропрочных сталей и большинства цветных металлов.
Весьма нежелательным процессом является растворение водорода, что приводит к возникновению гидридов. Образование этих соединений в ЗТВ приводит к появлению пор, микро- и макротрещин. Водород попадает в зону сварки из атмосферного воздуха и при разложении влаги, которая имеется на свариваемых кромках, в покрытии электродов, защитных флюсах и т. д. Снижению содержания водорода способствуют предварительное прокаливание и тщательная зачистка электродов и свариваемых поверхностей.
Окись углерода в жидкой фазе металла практически не растворяется, но влияние этого соединения на качество сварного шва огромно. В результате процесса кристаллизации металла окись углерода начинает выделять пузырьки, образуя поры в массиве сварного шва.
Отличия сварочной ванны от металлургической, в которой плавят сталь, следующие:
● малый объем и кратковременность существования ванны, поэтому плохо перемешивается металл; возможны поры из-за того, что не успевают выделиться газы; шлаковые включения в сварном шве;
● вследствие значительной поверхности контакта расплавленного металла с атмосферой происходит выгорание «полезных» кремния и магния и образование окислов железа (наличие кислорода в стали приводит к снижению ее прочности, пластичности и коррозионной стойкости и сообщает стали красноломкость), а насыщение сварного шва азотом увеличивает хрупкость.
Негативное влияние на состав сварного шва оказывает сера, которая находится в основном и присадочном металлах, в покрытиях, флюсах и т. д. Под действием высоких температур в сварочной ванне образуется сульфид железа (FeS), который в процессе кристаллизации образует эвтектику[3], температура плавления которой ниже, чем у основного металла.
Пары воды, находящиеся в жидкой фазе металла, взаимодействуют с ней, образуя оксиды железа и водород.
Бороться с этими вредными явлениями чрезвычайно трудно, и полностью изолировать сварочную ванну от влияния атмосферных газов чаще всего не удается. Для того чтобы снизить влияние на сварочную ванну атмосферных газов, применяют разные виды защиты – электродное покрытие, защитные газы, флюсы, вакуум и т. д. Это значительно снижает интенсивность металлургических реакций и позволяет добиться хорошего качества сварного шва. Кроме того, большая скорость охлаждения сварочной ванны не позволяет металлургическим реакциям завершиться полностью. Поэтому для регулирования сварочных процессов особое значение приобретают различные флюсы.
Сварочные флюсы
Флюс – это неметаллический материал, который вводится в зону сварки, наплавки, пайки, где под действием высоких температур, поддерживаемых в зоне сварки, плавится, образуя шлак. Покрывая сплошной пленкой сварочную ванну, шлак изолирует расплавленный металл от атмосферных газов, сдерживая металлургические реакции. Кроме того, сварочные флюсы уменьшают скорость охлаждения сформировавшегося шва, обеспечивают нужное качество металла шва за счет легирования, улучшают формирование шва, восстанавливают окислы, разжижают и понижают температуру шлаков, стабилизируют горение дуги, улучшают растекаемость металла. Флюсы должны обеспечивать легкую отделяемость шлака, минимизировать количество вредных газов и пыли, выделяющихся при сварке, а также уменьшать потери электродного металла на угар и разбрызгивание.
В сварочном процессе роль флюсов, особенно керамических, огромна. К примеру, флюсы, содержащие в своем составе марганец и кремний, способствуют процессу восстановления этих веществ и частично препятствуют окислению углерода, что снижает вероятность образования пор в металле шва. Образовавшийся при этом оксид железа переходит в шлак.
В состав сварочных материалов могут входить вредные вещества (сера, фосфор и др.), которые оказывают отрицательное влияние на качество шва, являясь причиной хрупкости сварного соединения и образования горячих трещин. В нейтрализации этих вредных явлений участвует содержащийся во флюсах марганец. Он является более активным элементом, чем свариваемый металл, и, вступая в реакцию с сульфидом железа FeS, образует менее растворимый сульфид марганца MnS, вызывая тем самым перераспределение серы из расплавленного металла в шлак и предотвращая появление горячих трещин.
Однако флюсы могут оказывать и негативное воздействие, способствуя увеличению размера кристаллов. Избежать этого помогает добавление специальных модификаторов, содержащих алюминий, титан или ванадий, которые измельчают структуру шва, улучшая его прочностные характеристики.
Для дуговой сварки и наплавки применяют обычно зернистый, порошкообразный флюс. Такой же флюс, но с дополнительными свойствами по электропроводности, используют и для электрошлаковой сварки. Для газовой сварки и пайки в качестве флюсов применяют пасты, порошки и газ.
Флюс получают сплавлением составляющих его компонентов и последующим дроблением (плавленые флюсы) или механическим связыванием (склеиванием) порошкообразных компонентов с последующим измельчением (неплавленые флюсы).
По назначению флюсы разделяют на три группы: для сварки углеродистых и легированных сталей, для сварки высоколегированных сталей, для сварки цветных металлов и их сплавов. В зависимости от химического состава различают флюсы высококремнистые (более 35 % кремнезема), низкокремнистые (до 35 % кремнезема), безмарганцевые (менее 1 % марганца), марганцевые (более 1 % марганца). Изготавливают также легированные флюсы, содержащие чистые легирующие металлы или ферросплавы. Флюсы для автоматической сварки выпускаются по ГОСТ 9087–81. Флюс с размером зерен от 0,25 до 1,60 мм предназначен для сварки проволокой диаметром до 3,00 мм, с размерами зерен от 0,35 до 3,00 мм – для сварки проволокой диаметром более 3,00 миллиметров.
Плавленые флюсы изготавливаются двух видов: стекловидные (зерна прозрачные, от светло-желтого до бурого и коричневого цвета) и пемзовидные (пористые зерна светлой окраски). Объемная масса стекловидных флюсов – от 1,3 до 1,8 кг/дм3, пемзовидных – не более 1 кг/дм3. Наиболее распространены стекловидные флюсы.
К неплавленым флюсам относятся керамические, которые используются главным образом как легирующие: они малочувствительны к ржавчине, окалине и влаге на кромках свариваемых швов; добавление керамических флюсов к стекловидным позволяет получать швы высокого качества даже при плохой очистке кромок.
По сложившейся традиции, марки флюсов обычно указывают наименование разработчика и порядковый номер флюса. Так, флюсы, разработанные ИЭС им. Е. О. Патона, имеют сериал, обозначенный буквенными индексами «АН» (АН-348-А; АН-20; АН-22 и т. д.), что обозначает – «Академия наук» (в составе которой находится ИЭС им. Патона). Флюсы, предложенные НПО ЦНИИТМАШ, имеют сериал «ФЦ» – флюсы ЦНИИТМАШ.
Преимущество плавленых флюсов перед керамическими – это более высокие технологические свойства (защита, формирование, отделяемость шлаковой корки и др.) и меньшая стоимость. Преимуществом керамических флюсов является возможность в более широких пределах легировать металл шва через флюс. В промышленности применяют преимущественно плавленые флюсы.
Высококремнистыми и марганцовистыми флюсами являются флюсы ОСЦ-45 и АН-348-А, АН-348Ш, шихта которых состоит из марганцевой руды (МnО), кварцевого песка (SiO2) и плавикового шпата (фтористого кальция CaF2). Буква А в конце марки флюса обозначает, что грануляция крупная (для автоматической сварки), а буква ∅ – мелкая грануляция, т. е. для использования при полуавтоматической сварке шланговыми полуавтоматами.
Для автоматической наплавки под флюсом служат те же флюсы, что и для сварки. Наиболее распространены плавленые флюсы АН-348-А; ОСЦ-45; АН-20; АН-60; 48-ОФ-6; АН-26; АН-15М; АН-8; АН-25; АН-22; АНФ-6 в сочетании с легированными проволоками.