Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка. Основы теории сварочных процессов (Ю. Ф. Подольский, 2013)

Сварка металлов, согласно ГОСТ 19521-74, классифицируется по основным физическим, техническим и технологическим признакам.

Физические признаки, в зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения, подразделяются на три класса: термический (плавление с использованием тепловой энергии), термомеханический (использование тепловой энергии и давления) и механический (сварка при помощи механической энергии и давления). К техническим признакам относятся: способ защиты металла в сварочной зоне, непрерывность сварки и степень механизации процесса. Технологические признаки установлены для каждого способа сварки отдельно.

относят , при которой атомы свариваемых изделий сближаются за счет энергии, выделяемой при взрыве; пластической деформацией свариваемых металлов в зоне стыка под воздействием механического усилия и – соединение металлов энергией ультразвуковых колебаний.

содержит больше видов. осуществляется за счет взаимного проникновения атомов свариваемых изделий (диффузии) при повышенной температуре в вакуумной установке.

осуществляется благодаря пластическому деформированию свариваемых изделий, предварительно нагретых высокочастотным током, проходящим между ними. При сближают торцы вращающихся вокруг своих осей заготовок; от трения друг о друга торцы деталей сильно разогреваются, а при остановке вращения под большим давлением образуется качественное неразъемное соединение.

К термомеханическому классу относятся и разновидности .

Стыковую контактную сварку непрерывным оплавлением применяют для соединения заготовок сечением до 0,1 м. Типичными изделиями являются элементы трубчатых конструкций, колеса, рельсы, железобетонная арматура, листы, трубы. Плавление током металла ведется в постоянном или периодическом режиме, одновременно со сближением заготовок, которые в процессе оплавления укорачиваются на заданный припуск. При рельефной контактной сварке на заготовках предварительно создают рельефы – локальные возвышения на поверхности размером несколько миллиметров в диаметре. При контактной сварке таких деталей рельефы расплавляются проходящим через них сварочным током, выдавливаются оксиды и загрязнения.

Ввиду сложной технологии и необходимости использования дорогого оборудования вышеописанные виды сварки получили исключительно промышленное применение. Из видов этого класса в кустарном производстве применяются кузнечная и точечная контактная сварки. При детали зажимают в электродах сварочной машины или специальных сварочных клещах. 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, образуя сварное соединение[1]. осуществляется за счет возникновения в раскаленном металле межатомных связей при пластическом деформировании ковочным молотом. В настоящее время в промышленности практически не используется, но применяется в мелкосерийном и кустарном производстве[2].

, как и термомеханический, тоже богат сложными промышленными видами. Так, при источником теплоты служит специальный флюс, разогревающийся проходящим через него электрическим током и при этом расплавляющий кромки свариваемых деталей и присадочную проволоку. для нагрева металла использует расплавленный термит – порошкообразную смесь металлического алюминия или магния и железной окалины. Для источником теплоты является плазменная струя, получаемая при ионизации рабочего газа в промежутке между электродами, одним из которых может быть само свариваемое изделие. ведется в вакуумных камерах электронным лучом, получаемым за счет термоэлектронной эмиссии с катода электронной пушки. При лазерной сварке источником теплоты служит мощный лазерный луч.

В то же время именно к этому классу относятся газосварка и дуговая электросварка, чаще всего применяемые в быту и мелкосерийном производстве. Они и будут рассмотрены в данной книге наиболее подробно.

Электродуговая сварка

С применением электродуговой сварки в настоящее время осуществляется примерно 65 % сварочных работ. Источником теплоты служит сварочная дуга – мощный электрический разряд в ионизированной среде, возникающий между торцом электрода и свариваемым изделием. Температура в столбе сварочной дуги колеблется от 5000 до 12 000 К и зависит только от состава газовой среды дуги. Это тепло нагревает торец электрода и оплавляет свариваемые поверхности. В процессе остывания и кристаллизации расплава образуется сварное соединение.

Электродуговая сварка имеет собственные подвиды.

. В качестве электрода используется стержень из графита или вольфрама, температура плавления которых выше температуры сварочной дуги. Сварка чаще всего происходит в среде защитного газа (аргон, гелий, азот и их смеси) для защиты шва и электрода от влияния атмосферы и устойчивого горения дуги. Сварку можно проводить как с присадочным материалом, так и без него.

. Электродом здесь служит металлическая проволока, к которой через токопроводящий наконечник подводится ток, а электрическая дуга расплавляет проволоку. Для обеспечения постоянной длины дуги проволока подается автоматически. Вместе с электродной проволокой из сварочной горелки подаются защитные газы (аргон, гелий, углекислый газ и их смеси). Полуавтоматическую сварку можно вести и без газа, применяя самозащитную порошковую проволоку.

. Для сварки используют проволочный электрод с нанесенным на его поверхность покрытием (обмазкой). При плавлении обмазки образуется защитный слой, отделяющий зону сварки от атмосферных газов (азота, кислорода) и способствующий легированию шва, повышению стабильности горения дуги, удалению неметаллических включений из металла шва, формированию шва и т. д.

. В этом случае конец электрода в виде металлической проволоки или стержня подается под слой флюса. Горение дуги происходит в газовом пузыре, находящемся между металлом и слоем флюса, благодаря чему улучшается защита металла от вредного воздействия атмосферы и увеличивается глубина проплавления металла.

Газопламенная сварка

Источником теплоты является газовый факел, образующийся при сгорании смеси кислорода и горючего газа. В качестве последнего применяют ацетилен, водород, пропан-бутановую смесь, пары керосина, бензина, природный, светильный, нефтяной, коксовый и другие газы. В последнее время получил распространение сжиженный газ МАФ (метилацетилен-алленовая фракция), который обеспечивает хорошую скорость сварки и высокое качество сварочного шва, но требует применения особой присадочной проволоки с повышенным содержанием марганца и кремния. Тепло, выделяющееся при горении смеси, расплавляет свариваемые поверхности и присадочный материал с образованием сварочной ванны.

Итак, для соединения двух металлов в единое целое необходимо сократить расстояние между их атомами настолько, чтобы активизировались силы взаимного притяжения и установилось равновесие между силами притяжения и отталкивания. Чтобы придать соединяемым атомам соответствующее смещение, извне необходимо сообщить энергию, которую называют энергией активации. Ее при сварке вводят путем нагрева (термическая активация) или пластического деформирования (механическая активация). По признаку применяемого вида активации в момент образования межатомных связей в неразъемном соединении различают два вида сварки: сварку плавлением и сварку давлением (рис. 1).

Схемы возможных областей сварки давлением и плавлением в зависимости от температуры () и давления ()

Сварка давлением

Сущность сварки давлением состоит в пластическом деформировании металла по кромкам свариваемых частей под статической или ударной нагрузкой. Для ускорения процесса обычно выполняют местный нагрев деталей. Благодаря пластической деформации у кромок свариваемых деталей 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 стыковой контактной сварке оплавлением свариваемые кромки первоначально оплавляются, а затем пластически деформируются. При этом часть пластически деформированного металла совместно с некоторыми загрязнениями выдавливаются наружу, образуя грат. На рис. 1 видно, что с увеличением температуры нагрева металла для сварки давлением требуются меньшие усилия.

Сварка плавлением

Сущность сварки плавлением состоит в том, что при температурах выше 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, который называется . Зачастую сварочная ванна получается смешиванием основного и присадочного металла, вносимого непосредственно в зону сварки электродом, сварочной проволокой и т. д.

Плавление основного и присадочного материалов в процессе сварки происходит под действием концентрированной энергии, вызванной сварочной дугой, пламенем горелки или каким-либо другим способом. Энергия теплового источника расходуется на нагрев металла детали, плавление присадочного материала, защитного флюса и на тепловые потери.

Распределение температуры в свариваемом металле зависит от мощности источника тепла, физических свойств металла, 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.

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, вытесняя металл из основания ванны и открывая доступ к следующим слоям. По мере удаления металла от зоны плавления отвод тепла начинает преобладать над его притоком, и температура жидкой фазы снижается. Затвердевая, она образует сварной шов – общие для основного и электродного металла кристаллы, обеспечивающие монолитность сварочного соединения (рис. 3, ).

Зоны сварного шва () и возможные дефекты в нем ()

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.

Свойства сварного соединения определяются характером тепловых воздействий на металл в околошовных зонах. Участок основного металла, не подвергшийся расплавлению, структура и свойства которого изменились в результате нагрева при сварке или наплавке, называется зоной термического влияния. Здесь находятся 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). Зона сплавления расположена вблизи границы оплавленной кромки свариваемой детали и шва и содержит образовавшиеся межатомные связи. В поперечном сечении сварного соединения она измеряется микрометрами, но роль ее в прочности металла очень велика.

В зоне термического влияния из-за быстрого нагрева и охлаждения металла происходят его структурные изменения. Следовательно, сварочный шов может получиться прочным и пластичным, но из-за термических воздействий на деталь качество сварки в целом будет низким (рис. 3, ).

Величина зоны термического влияния составляет при ручной электродуговой сварке для обычного электрода 2–2,5 мм, а для электродов с повышенной толщиной обмазки – 4—10 мм. При газовой сварке зона термического влияния существенно возрастает – до 20–25 мм.

Химический состав сварочного шва

Химический состав сварочного шва значительно отличается от основного металла, так как в этой области происходит перемешивание основного и электродного металлов, различных присадок, используемых при сварке, а также реакций взаимодействия жидкой фазы с атмосферными газами и защитными средствами. Соотношения отдельных компонентов, из которых состоит сварочный шов, зависят от способа наложения шва, режимов сварки. Например, если сварочный шов ведется с разделкой, то доля основного металла в структуре шва значительно снижается. Определение доли элемента, содержащегося в металле шва, учитывают с помощью поправочного коэффициента , показывающего, какая доля металла, содержащегося в электроде или сварочной проволоке, переходит в металл шва. Величина может колебаться в пределах от 0,3 до 0,95.

В процессе сварки расплавленный металл активно вступает в реакцию с атмосферными газами, поглощая их и тем самым снижая механические качества сварочного шва. Так, при дуговой сварке дуга, контактирующая с металлом, состоит из смеси N, O, Н, СО, СО, паров НО, 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.

Атомы кислорода активно растворяются в жидкой фазе металла, образуя оксиды, окисляя примеси и легирующие элементы, содержащиеся в металле. Из-за этого снижается предел прочности, предел текучести, ударная вязкость металла, ухудшается коррозионная стойкость и жаропрочность сталей. Кислород попадает в зону сварки из окружающего воздуха, из влаги, находящейся на свариваемых кромках и флюсах, с обмазки электродов. Кислород из расплавленного металла удаляют путем введения в сварочную ванну кремния и марганца, которые взаимодействуют с оксидом железа, образуя шлак. Шлак в процессе кристаллизации образует на поверхности шва твердую корку, которую удаляют механическим путем.

Растворение азота в жидкой фазе большинства металлов сопровождается образованием нитридов, что приводит к старению металла и повышению его хрупкости. Как и кислород, азот попадает в зону сварки из окружающего воздуха, и для недопущения образования нитридов сварочную ванну для легированных, жаропрочных сталей и большинства цветных металлов изолируют средой защитных газов.

Весьма нежелательным процессом является растворение водорода, что приводит к возникновению гидридов. Их образование в зоне термического влияния 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 обмазке электродов, защитных флюсах и т. д. Снижению содержания водорода способствует предварительное прокаливание электродов, свариваемых поверхностей и тщательная их зачистка.

Окись углерода в жидкой фазе металла практически не растворяется, но влияние этого соединения на качество сварочного шва огромно. В процессе кристаллизации металла окись углерода начинает выделять пузырьки, образуя поры в массиве сварочного шва.

Негативное влияние на состав сварочного шва оказывает сера, которая находится в основном и присадочном металлах, покрытиях, флюсах и т. д. Под действием высоких температур в сварочной ванне образуется сульфид железа (FeS), в процессе кристаллизации которого возникает эвтектика[7] (ее температура плавления 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. 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 сварочного шва. Кроме того, большая скорость охлаждения сварочной ванны не позволяет металлургическим реакциям завершиться полностью.

Роль защитных газов, флюсов и шлаков

Защитные газы изолируют сварочную ванну от атмосферного воздействия, поэтому металлургические процессы протекают только между элементами, содержащимися в основном и присадочном металлах. Наиболее эффективными являются инертные газы – аргон и гелий.

Роль активного газа СO сводится к оттеснению от сварочной ванны окружающего воздуха, и в первую очередь азота. Кроме того, при высоких температурах углекислый газ диссоциирует с выделением кислорода, который, в свою очередь, окисляет металл. В связи с этим в сварочную проволоку вводят раскислители, такие как марганец и кремний. Другим следствием влияния кислорода является резкое снижение поверхностного натяжения, что приводит, среди прочего, к более интенсивному разбрызгиванию металла, чем при сварке в аргоне или гелии.

Защитная роль газов и флюсов значительно повышается при тщательной зачистке свариваемых кромок, где могут быть посторонние элементы, влияющие на происходящие в сварочной ванне химические процессы.

Защитные средства (флюсы, электродные покрытия и т. д.) под воздействием высоких температур, поддерживаемых в зоне сварки, плавятся, образуя шлак. Покрывая сплошной пленкой сварочную ванну, шлак изолирует расплавленный металл от атмосферных газов, сдерживая металлургические реакции.

Кроме того, при взаимодействии с жидким металлом расплавленные флюсы меняют состав сварочной ванны. К примеру, флюсы, содержащие в своем составе марганец и кремний, способствуют процессу восстановления этих веществ и частично препятствуют окислению углерода, что снижает вероятность образования в металле шва пор.

В нейтрализации отрицательного влияния серы, фосфора и других веществ участвует марганец, содержащийся в флюсах и покрытиях. Он является более активным элементом, чем свариваемый металл, и, вступая в реакцию с сульфидом железа FeS, образует менее растворимый сульфид марганца MnS, вызывая перераспределение серы из расплавленного металла в шлак и предотвращая тем самым появление горячих трещин.

К сожалению, флюсы не позволяют полностью освободиться от вредных примесей в сварочной ванне, но их роль в сварочном процессе огромна. Они снижают скорость кристаллизации, что способствует более полному выводу газов из расплавленного металла, осуществляют его металлургическую обработку, раскисляя металл и легируя сварочный шов. Кроме того, флюсы стабилизируют дугу и тем самым способствуют качественному формированию шва.

Свариваемость металлов

Реакция свариваемых материалов на технологический процесс сварки и возможность получения сварных соединений, удовлетворяющих условиям эксплуатации, называется . Свариваемость определяют три группы факторов:

– химический состав и структура металла, наличие примесей, степень раскисления[8], подготовительные операции (ковка, прокатка, термообработка деталей);

– сложность формы и жесткость конструкции, масса и толщина металла, последовательность выполнения сварных швов;

– вид сварки и сварочные материалы, режимы термических воздействий на основной материал.

Наиболее существенное влияние на свариваемость оказывает углерод, способствующий образованию закалочных структур, и легирующие элементы (хром, вольфрам, молибден), способствующие возникновению карбидов.

Основной характеристикой свариваемости является отсутствие холодных или горячих трещин при сварке. Трещины, возникающие при температурах выше 800–900 °C, называются горячими, а при температурах ниже 300 °C – холодными.

Холодные трещины образуются под влиянием закалочных явлений, атомов водорода и остаточных растягивающих напряжений. Чувствительность сварного соединения к образованиям холодных трещин оценивают эквивалентным содержанием углерода в детали. Для этого используют эмпирические формулы, из которых наиболее распространенная имеет вид:

При < 0,45 сталь сваривается без холодных трещин. При > 0,45 сталь склонна к образованию холодных трещин и необходим предварительный подогрев свариваемого изделия до температуры, где – общий эквивалент углерода, зависящий от и толщины свариваемых деталей:

.

Допустим, нужно определить возможность сварки деталей толщиной 5 мм из стали 40ХН.

Для этого понадобится справочник по маркам сталей. Для стали 40ХН содержание С = 0,36—044; Mn = 0,5–0,8; Cr = 0,45—0,75; Ni = 1–1,4; Cu ≤ 0,3; ванадий и молибден не содержатся.

Для расчета возьмем средние значения химических элементов в этой стали.

Следовательно, детали перед сваркой необходимо нагревать:

Деформации при сварке

Деформации деталей при сварке происходят из-за образования внутренних напряжений. Их причинами являются температурные деформации вследствие местного нагрева, усадка наплавленного металла и фазовые превращения, происходящие в металле при охлаждении (рис. 4).

В результате местного нагрева при сварке происходит значительное местное расширение металла, в то время как остальная часть изделия остается в холодном состоянии. Это приводит к образованию внутренних напряжений и изгибам элементов конструкции.

. Деформации при сварке:

– причины деформаций (I – температурная деформация из-за разности температур сварного шва и детали; II – усадка сварного шва при кристаллизации; III – усадка в результате фазовых превращений); – искривление продольной оси из-за продольного сварного шва или газового реза; – деформация грибовидной формы из-за усадки сварочного шва; – усадка трубы от кольцевого сварного шва

Усадка металла, происходящая вследствие уменьшения объема жидкого металла при затвердевании, является второй по значимости причиной возникновения внутренних напряжений.

Фазовые превращения при охлаждении нагретого при сварке металла также сопровождаются относительно небольшим изменением его объема. У сталей это изменение составляет примерно 1 % объема, что также приводит к образованию внутренних напряжений.

Полностью избежать деформаций при сварке не удается, но уменьшить их до приемлемых значений можно правильным выбором вида сварки и технологии ее осуществления. Например, электродуговая сварка, при которой изделие получает сосредоточенный нагрев, вызывает коробления меньше, чем сварка газовым пламенем, при которой нагревается значительный участок детали. Деформации при сварке плавлением больше, чем при сварке давлением.

Незначительного снижения коробления достигают, отводя тепло со свариваемого участка путем подкладывания медной пластинки с обратной стороны шва, прикладывания вокруг шва асбеста, смоченного водой, и т. п.

Коробление можно уменьшить и путем уравновешивания образовавшихся деформаций. Места соединения деталей разбивают на участки, сварка которых ведется в таком порядке, чтобы деформации, получаемые при сварке на отдельных участках, были равны по величине и противоположны по направлению. Например, при сварке двутавровой балки из трех частей можно применять очередность сварки отдельных участков, показанную на рис. 5, .

Снижение деформаций изделий:

– изменением порядка сварки; – обратноступенчатой вразброс сваркой; – обратным изгибом деталей перед сваркой

Значительного снижения деформации достигают способом «обратноступенчатой» сварки. При этом способе кромки соединяемых деталей сваривают в последовательности, показанной на рис. 5, . Коробление изделия в данном случае получается значительно меньше, так как деформации коротких швов не могут приводить к значительной деформации всего изделия.

Уменьшить коробление свариваемых изделий можно также способом «обратных деформаций». В этом случае соединяемые детали предварительно отгибают в сторону, обратную сварочным деформациям (рис. 5, ). Тогда в процессе сварки они, деформируясь, обретают требуемую или очень близкую к требуемой форму.

Широко применяется также способ жесткого закрепления свариваемых деталей при помощи различных приспособлений или путем прихватки, т. е. предварительной сварки кромок в нескольких точках по длине сварки.

На 85–90 % остаточные напряжения при сварке снижаются при высоком отпуске сварных конструкций – нагреве до 550–680 °C и постепенном охлаждении на воздухе. При местном отпуске нагревается часть конструкции около сварного соединения; после остывания остаточные напряжения сохранятся, но будут меньшими по величине. Иногда проводят поэлементный отпуск отдельных сборочных элементов и только после этого – окончательную сборку конструкции.

В борьбе с деформациями наиболее эффективны те мероприятия, которые выполнены до сварки: рациональное конструирование изделия, обоснование минимально допустимых размеров швов, выбор способов сварки с наименьшими погонными энергиями, предотвращение одностороннего расположения сварных швов, использование соединений с отбортовкой кромок вместо нахлесточных или стыковых соединений, выбор рациональной последовательности сварки.

Снижение деформаций происходит при проковке металла после сварки по горячему металлу или после полного остывания детали. Газовым пламенем или другими способами после сварки иногда проводят местный нагрев тех зон, последующая усадка которых также уменьшает деформации изделия.

Особенности физических процессов при дуговой сварке

Дуговая сварка протекает при взаимодействии различных сил и внешних факторов. В отличие от горновой (кузнечной) и газовой сварки, здесь важное значение имеют электромагнитные силы, которые следует знать и учитывать для того, чтобы соединение было выполнено качественно.

Свойства сварочной дуги

Для ручной дуговой сварки используют сварочную дугу прямого действия, когда дуга горит между электродом и изделием. Существуют также многоэлектродные дуги, которые применяют в промышленности и при высокотехнологических способах сварки.

По роду тока различают дуги, питаемые переменным и постоянным током. Вследствие того, что мгновенные значения переменного тока переходят через нуль 100 раз в секунду, с той же частотой меняет свое положение и катодное пятно, являющееся источником свободных электронов. Ионизация дугового промежутка в этом случае менее стабильна, а сварочная дуга менее устойчива по сравнению с дугой постоянного тока. Поэтому для этого вида дуги используют специальные электроды с соответствующим покрытием, которое стабилизирует дугу при пропадании тока.[9]

Во время применения постоянного тока различают сварку на прямой и обратной полярности. В первом случае электрод подключают к отрицательному полюсу (он служит катодом), а изделие – к положительному полюсу (оно служит анодом), т. е. ток идет от электрода к нагреваемому металлу. Во втором случае электрод (анод) подключают к положительному полюсу, а изделие (катод) – к отрицательному. Свободные электроны движутся от свариваемого металла через электрод, что ведет к сильному нагреву последнего. При одних и тех же параметрах источника сварочного тока температура на поверхности свариваемого металла при обратной полярности будет ниже, и этот эффект широко используют при сварке тонкой или высоколегированной стали.

Сварочный электрод плавится за счет тепла, сконцентрированного на его конце в приэлектродной области дуги. Количество тепла, выделяемого в этой области, напрямую зависит от силы тока и электрического сопротивления промежутка, образовавшегося между электродом и основным металлом. И чем больше вылет электрода, тем больше его сопротивление, а значит, тем больше выделяется тепла. Нагреваясь до температуры 2300–2500 °C, конец электрода плавится, а образовавшиеся при этом капли металла переносятся через дуговое пространство и попадают в сварочную ванну. Этому процессу способствуют электростатические и электродинамические силы, поверхностное натяжение, тяжесть металлической капли, давление газового потока, реактивное давление паров металла и т. д. Все эти силы, взаимодействуя между собой, формируют характер капельного переноса, который может быть крупнокапельным, мелкокапельным и струйным (рис. 6). Крупнокапельный перенос металла характерен для ручной дуговой сварки, мелкокапельный – для сварки под флюсом или в среде углекислого газа, а струйный – для сварки в среде аргона.

Силы поверхностного натяжения формируют каплю на конце электрода и направлены внутрь нее. В отрыве и переносе капли участвуют электродинамические силы и давление газовых потоков. И чем больше сила тока, тем больше эти силы и тем меньшими по размеру будут капли расплавленного металла. При этом происходит электрический взрыв перемычки, образованной между отделяющейся каплей и торцом электрода. Этот взрыв сопровождается выбросом части металла за пределы сварочной ванны, так называемым разбрызгиванием, когда сварочный процесс сопровождается фонтаном искр.

Расплав и перенос электродного материала:

– метод короткого замыкания (I – короткое замыкание; II – образование прослойки из жидкого металла; III – образование шейки; IV – возникновение дуги и образование газового облака вокруг столба дуги); – капельный метод; – струйный метод

Основной металл плавится под воздействием сконцентрированного в активном пятне тепла, возникающего под воздействием дуги. Электромагнитные силы, вызывающие осевое давление плазменного потока на сварочную ванну, будут пропорциональны квадрату тока, создающего дугу. Поэтому, меняя силу тока электрической дуги, меняют и размеры сварочной ванны в зависимости от толщины свариваемых деталей.

Магнитное дутье

При прохождении электрического тока по элементам сварочной цепи, в том числе по свариваемому изделию, создается магнитное поле, напряженность которого зависит от силы сварочного тока. Газовый столб электрической дуги можно рассматривать как гибкий проводник электрического тока, подверженный воздействию результирующего магнитного поля, которое образуется в сварочном контуре.

Нормальная дуга бывает при симметричном относительно нее подводе тока (рис. 7, ). В этом случае собственное круговое магнитное поле тока оказывает равномерное воздействие на столб дуги.

При несимметричном относительно дуги подводе тока к изделию вследствие сгущения силовых линий кругового магнитного поля со стороны токопровода происходит отклонение дуги от оси электрода в поперечном или продольном направлении.

По внешним признакам это подобно смещению факела открытого пламени при сильных воздушных потоках. При этом затрудняется и сам процесс сварки, нарушается стабильность горения дуги. Такое явление называют магнитным дутьем (рис. 7, ).

Массивные сварные изделия (ферромагнитные массы) имеют большую магнитную проницаемость, чем воздух. Поскольку магнитные силовые линии всегда стремятся пройти по среде с меньшим сопротивлением, дуговой разряд, расположенный ближе к ферромагнитной массе, всегда отклоняется в ее сторону (рис. 7, ).

Влияние магнитных полей и ферромагнитных масс можно устранить путем изменения места токоподвода, угла наклона электрода, размещением у места сварки компенсирующих ферромагнитных масс, заменой постоянного сварочного тока переменным или использованием инверторных источников питания.

В качестве компенсирующих ферромагнитных масс на практике часто используют стальную плиту с присоединенным к ней токопроводом, которую укладывают на расстоянии 200–250 мм от места сварки.

На столб сварочной дуги действует также несимметричное магнитное поле, которое образует ток, протекающий в изделии; столб дуги при этом будет отклоняться в сторону, противоположную токоподводу.

Отклонение дуги могут вызвать несимметричность обмазки электрода (рис. 7, ) и химическая неоднородность свариваемой стали (рис. 7, ).

На величину отклонения дуги влияет также угол наклона электрода, поэтому для его уменьшения электрод наклоняют в сторону отклонения дуги, а также уменьшают длину дуги.

Нередко при сварке наблюдается блуждание дуги – беспорядочное перемещение сварочной дуги по изделию, обусловливаемое влиянием загрязнения металла, потоков воздуха и магнитных полей. Особенно часто это наблюдается при сварке угольным электродом. Блуждание дуги ухудшает процесс формирования шва, поэтому для его устранения иногда используют постоянное продольное магнитное поле, создаваемое соленоидом, расположенным вокруг электрода.

Магнитное дутье:

– нормальное положение; – отклонение влево; – отклонение вправо; – действие ферромагнитной массы (пунктиром показана компенсирующая масса); – несимметричность обмазки («козыряние» электрода); – химическая неоднородность свариваемой стали

Образование сварочной ванны

Процесс формирования сварочной ванны, происходящий под действием силы тяжести расплавленного металла , давления сварочной дуги и сил поверхностного натяжения представлен на рис. 8.

Силы, действующие в сварочной ванне и формирование шва:

– нижнее положение; – вертикальное; – горизонтальное; – потолочное; – направление сварки; – подрез; – наплыв

Распределение этих сил во многом зависит от расположения сварочного шва в пространстве. При нижнем расположении шва и при сквозном проплавлении жидкий металл удерживается в ванне силами поверхностного натяжения, которые уравновешивают силу тяжести и давление, оказываемое на ванну источником теплоты , т. е.= +. Если это равновесие сил нарушается, то может произойти разрыв поверхностного слоя и металл вытечет из ванны, образуя прожог.

В реальных условиях, когда сварочная ванна перемещается вдоль шва, могут возникать дополнительные силы гидродинамического характера, перемещающие расплавленный металл в хвостовую часть ванны. Для того чтобы уравновесить все эти силы, удерживающие жидкий металл в объеме ванны, приходится принимать дополнительные меры: сварку на подкладках или других удерживающих приспособлениях. Особенно велико значение таких мер при вертикальном и потолочном расположении шва.

Формирование вертикального шва может происходить по двум направлениям – снизу вверх и сверху вниз. Когда шов формируют снизу вверх, т. е. сварка выполняется на подъем, жидкий металл удерживается в ванне только силами поверхностного натяжения, а при сварке сверху вниз к этим силам добавляется давление дуги.

Горизонтальный шов на вертикальной плоскости имеет свои особенности. При неправильно выбранных режимах сварки жидкий металл может концентрироваться на нижней плоскости шва, нарушая симметрию (с образованием подрезов и наплывов), что в конечном итоге снижает прочность сварки.

При потолочной сварке силы, действующие на жидкую фазу металла, должны не только удерживать ее от стекания вниз, но и перемещать электродный металл в направлении, противоположном силам тяжести. Во всех указанных случаях следует ограничить размеры сварочной ванны и тепловую мощность дуги.

Источники питания сварочной дуги

Источники тока для электросварки разделяются на две большие группы по виду получаемого от них тока: и .

К первым относятся и . Ко вторым – и .

Важнейшие свойства как сварочной дуги, так и источников сварочного тока описывают их вольтамперные характеристики (далее – ВАХ), которые показывают зависимость между установившимися значениями тока и напряжения дуги и могут быть падающими, жесткими и возрастающими (рис. 9, ). ВАХ имеет три области.

Устойчивое горение сварочной дуги возможно только в том случае, когда ее источник питания поддерживает постоянным необходимое напряжение при протекании тока по сварочной цепи.

(I) характеризуется резким падением напряжения на дуге с увеличением тока сварки . Такая характеристика называется падающей и вызвана тем, что при увеличении тока сварки происходит увеличение площади, а следовательно, и электропроводности столба дуги.

(II) характеристики увеличения тока сварки не вызывают изменения напряжения дуги. Характеристика дуги на этом участке называется жесткой. Ее положение на этом участке происходит за счет увеличения сечения столба дуги, анодного и катодного пятен пропорционально величине сварочного тока. При этом плотность тока и падение напряжения на протяжении всего участка не зависят от изменения тока и остаются почти постоянными.

(III) с увеличением сварочного тока возрастает напряжение на дуге. Такая характеристика называется возрастающей. При работе на этой характеристике плотность тока на электроде увеличивается без увеличения катодного пятна, при этом возрастает сопротивление столба дуги и напряжение на дуге увеличивается.

Вольтамперные характеристики процесса дуговой сварки:

– статическая характеристика сварочной дуги (I – участок падающей характеристики; II – участок жесткой характеристики; III – участок возрастающей характеристики; – участки характеристики при различных способах сварки); – падающая; – жесткая; – возрастающая ВАХ источников питания сварочной дуги; – совмещенные ВАХ источника питания и сварочной дуги (ВАХ – ВАХ источника питания; ВАХ – ВАХ дуги; – напряжение холостого хода; – ток короткого замыкания)

Источники питания сварочной дуги имеют также свои вольтамперные характеристики, которые могут быть падающими, жесткими и возрастающими.

Для стабильного горения дуги необходимо равенство между напряжениями и токами дуги ( ) и источника питания ( ). Участки 1, 2, 3 характеристики на рис. 9, соответствуют статическим характеристикам источников питания (рис. 9, ), применяемых при различных способах сварки:

– 1 (падающая) – ручная дуговая сварка штучными электродами;

– 2 (жесткая) – автоматическая, полуавтоматическая сварка под флюсом, электрошлаковая сварка толстой электродной проволокой диаметром более 2,5 мм на малых и средних плотностях тока;

– 3 (возрастающая) – сварка под флюсом и в среде защитных газов тонкой электродной проволокой на больших плотностях тока.

Работу сварочной цепи и дуги нужно рассматривать при наложении статической ВАХ сварочной дуги на статическую ВАХ источника питания (называемую также внешней характеристикой источника питания). При этом напряжение и ток источника питания и дуги совпадают в двух точках 1 и 2 (рис. 9, ). Устойчивому горению сварочной дуги соответствует только точка 1.

При уменьшении тока дуги напряжение источника станет больше напряжения на дуге, так как на характеристике источника питания рабочая точка сместится влево, избыток напряжения источника питания приведет к увеличению тока дуги, т. е. к возврату процесса в точку 1.

Если ток дуги увеличится, то напряжение источника снизится согласно внешней характеристике источника питания и станет меньше напряжения дуги, ток дуги уменьшится, режим дуги восстановится.

Точка 2 соответствует неустойчивому горению дуги, так как случайное изменение тока дуги происходит вплоть до обрыва дуги или до тех пор, пока ток не достигнет значения, соответствующего значению тока в точке 1 устойчивого горения дуги. Поэтому устойчивое горение дуги поддерживается только в той точке пересечения характеристик источника и дуги, где внешняя характеристика источника питания является более крутопадающей, чем статическая характеристика дуги.

Ручная электросварка обычно сопровождается значительными колебаниями длины дуги. При этом дуга должна гореть устойчиво, а ток дуги не должен сильно изменяться. Часто требуется увеличить длину дуги, поэтому дуга должна иметь достаточный запас эластичности при удлинении, т. е. не обрываться.

Статическая характеристика сварочной дуги при ручной сварке обычно является жесткой, и отклонение тока при изменении длины дуги зависит только от типа внешней характеристики источника питания.

При прочих равных условиях эластичность дуги тем выше, а отклонение тока дуги тем меньше, чем больше наклон внешней характеристики источника питания. Поэтому для ручной электросварки применяют источники питания с падающими внешними характеристиками. Это дает сварщику возможность удлинять дугу, не опасаясь ее обрыва, или уменьшать длину дуги без чрезмерного увеличения тока.

Высокую устойчивость горения дуги и ее эластичность, стабильный режим сварки, надежное первоначальное и повторное зажигание дуги обеспечивают также повышенное напряжение холостого хода, ограниченный ток короткого замыкания. Ограничение этого тока очень важно, так как при переходе капли расплавленного металла электрода на изделие возможно короткое замыкание. При больших значениях тока короткого замыкания происходят прожоги металла, прилипание электрода, осыпание покрытия электрода и разбрызгивание расплавленного металла. Обычно значение тока короткого замыкания больше тока дуги в 1,2–1,5 раза.

Основными данными технических характеристик источников питания сварочной дуги являются напряжение холостого хода, номинальный сварочный ток[10], пределы регулирования сварочного тока.

В процессе сварки непрерывно меняются значения тока и напряжения на дуге в зависимости от способа первоначального возбуждения дуги и при горении дуги – характера переноса электродного металла в сварочную ванну.

При сварке капли расплавленного металла замыкают дуговой промежуток, периодически изменяя силу тока и длину дуги. Происходит переход от холостого хода к короткому замыканию, затем к горению дуги с образованием капли расплавленного металла, которая вновь замыкает дуговой промежуток. При этом ток возрастает до величины тока короткого замыкания, что приводит к сжатию и перегоранию мостика между каплей и электродом. Напряжение возрастает, дуга вновь возбуждается, и процесс периодически повторяется.

Изменения тока и напряжения на дуге происходят в доли секунды, поэтому источник питания сварочной дуги должен обладать высокими динамическими свойствами, т. е. быстро реагировать на все изменения в дуге.

Особенности физических процессов при газовой сварке

Основным инструментом газосварщика является сварочное пламя. Оно образуется при сгорании горючего газа в кислороде. От соотношения объемов кислорода и горючего газа в их смеси зависят внешний вид, температура и характер влияния сварочного пламени на расплавленный металл.

Рассмотрим (рис. 10). Сварочное пламя имеет три четко различимые области: ядро, восстановительную зону и факел.

представляет собой ярко светящуюся зону, в наружном слое которой сгорают раскаленные частицы углерода, образующиеся при разложении ацетилена.

, более темная, состоит из оксида углерода и водорода, которые раскисляют расплавленный металл, отбирая кислород от его оксидов.

– периферийная часть пламени – представляет собой зону полного сгорания углеводородов в кислороде окружающей среды.

В зависимости от соотношения объемов кислорода и ацетилена получают три основных вида сварочного пламени: нормальное, окислительное и науглероживающее.

Строение и виды ацетиленового сварочного пламени, распределение температуры по длине факела:

– нормальное; – окислительное; – науглероживающее; – ядро; – восстановительная зона; – факел

образуется тогда, когда в горелке на один объем кислорода приходится один объем ацетилена. В нормальном пламени ярко выражены все три зоны. Ядро имеет резко очерченную форму, близкую к цилиндру, с ярко светящейся оболочкой. Температура ядра достигает 1000 °C.

В восстановительной зоне, содержащей продукты неполного сгорания ацетилена, проводят сварку. Температура этой зоны в точке, отстоящей на 36 мм от ядра, составляет 3150 °C. Факел имеет температуру 1200–2500 °C.

Нормальным сварочным пламенем осуществляют сварку сталей всех марок, меди, бронзы и алюминия.

получают при избытке кислорода, когда в горелку подают на один объем ацетилена более 1,3 объема кислорода. Ядро такого пламени имеет укороченную, конусообразную форму. Оно приобретает менее резкие очертания и более бледную окраску, чем у нормального пламени. Протяженность восстановительной зоны уменьшается по сравнению с нормальным пламенем. Факел имеет синевато-фиолетовую окраску. Горение сопровождается шумом, уровень которого зависит от давления кислорода. Температура окислительного пламени выше, чем у нормального, однако при сварке таким пламенем из-за избытка кислорода образуются пористые и хрупкие швы.

Окислительное пламя применяют при сварке латуни и пайке твердыми припоями.

получают при избытке ацетилена, когда в горелке на один объем ацетилена приходится не более 0,95 объема кислорода. Ядро такого пламени теряет резкость очертаний, на его конце появляется зеленый венчик, по наличию которого судят об избытке ацетилена. Восстановительная зона существенно светлее, чем у нормального пламени, и почти сливается с ядром. Факел приобретает желтую окраску. При значительном избытке ацетилена пламя коптит. Температура науглероживающего пламени ниже, чем у нормального и окислительного.

Слегка науглероживающим пламенем сваривают чугун и осуществляют наплавку твердых сплавов.

Регулируют и устанавливают вид сварочного пламени «на глаз».

При выполнении сварочных работ необходимо, чтобы сварочное пламя обладало тепловой мощностью, достаточной для расплавления свариваемого металла. Ее выбирают в соответствии с толщиной свариваемого металла и его теплофизическими свойствами. Эта мощность зависит от расхода ацетилена – объема газа, проходящего за один час через горелку, поэтому ее регулируют ацетиленовым вентилем и подбором наконечника горелки.

Расход ацетилена (его измеряют в дм/ч), необходимый для расплавления слоя свариваемого металла толщиной 1 мм, устанавливают на практике. Так, слой низкоуглеродистой стали толщиной 1 мм расплавляется при расходе ацетилена 100–130 дм³/ч. Чтобы определить расход ацетилена при сварке конкретной детали, нужно умножить расход, соответствующий единичной толщине, на действительную толщину свариваемого металла (мм).

При сварке низкоуглеродистой стали толщиной 3 мм минимальный расход ацетилена составит 100 ∙ 3 = 300, а максимальный – 130 ∙ 3 = 390 дм³/ч.

Решающую роль в процессе горения играет кислород. Для полного сгорания одного объема ацетилена требуется два с половиной объема кислорода. Однако при газовой сварке недопустимо смешивать ацетилен с кислородом в такой пропорции, чтобы обеспечить полное сгорание ацетилена. Как правило, на один объем ацетилена подают 1,1–1,2 объема кислорода.

Для предотвращения окислительных процессов при газовой сварке в присадочные материалы и флюсы вводят вещества, которые раскисляют металл[11], например кремний и марганец, которые имеют большее сродство к кислороду, чем металл шва. При сварке стали раскисляющее действие оказывают углерод, его оксид и водород, образующиеся при горении газовой смеси. Поэтому углеродистые стали можно сваривать и без флюса. Соответствующие присадочные материалы и флюсы применяют и для легирования металла шва.

При газовой сварке основной металл, примыкающий к сварному шву, подвергается нагреву до температуры 1500 °C. Область, нагретую до 450—1500 °C, принято называть зоной термического влияния. Общая протяженность околошовной зоны при газовой сварке, зависящая от толщины и марки стали, составляет 6—30 мм. Эта область склонна к образованию холодных и горячих трещин.

Для предупреждения образования холодных трещин рекомендуется применять сварочные материалы с минимальным содержанием фосфора и проводить сварку на оптимальных режимах.

Для предотвращения образования горячих трещин необходимо применять сварочные материалы с повышенным содержанием марганца и минимальным количеством серы и углерода, вводить в металл шва легирующие элементы (титан, алюминий, медь), выполнять сварку с предварительным подогревом и последующей термообработкой.

Кроме того, для улучшения структуры и свойств зоны термического влияния и металла шва, выполненного газовой сваркой, осуществляют горячую проковку[12] шва, его термообработку (нагрев сварочной горелкой) и общую термообработку сварного изделия (нагрев в печах с последующим медленным охлаждением).