книги / Сущность и техника различных способов сварки плавлением

Кислородная резка. Процесс кислородной резки металлов основан на способности железа сгорать в струе кислорода и при­ нудительном удалении этой струей образующихся окислов. Сго­

Различают два основных способа резки: разделительная и по­ верхностная (строжка). При разделительной резке образуется сквозной разрез. Используется она при раскрое листов профильно­ го металла, вырезки деталей и т.д. Поверхностная строжка, на по­ верхности металла которой образуются канавки округлой формы, используется для удаления раковин и других дефектов в литейных отливах, сварных швах, например, непроваров в корне шва (рис. 7.)

Рис. 7. Удаление поверхностной строжкой непровара: а —в корне шва; б - границы удаляемого металла

Резка может осуществляться вручную или машинным спо­ собом, выполняемым на полуавтоматах и автоматах. Схема про­ цесса разделительной газокислородной резки представлена на рис. 8. Смесь кислорода с горючим газом выходит из подогрева­ тельного мундштука резака и сгорает, образуя подогревательное пламя. Этим пламенем металл нагревается до температуры нача­ ла его горения. После этого по осевому каналу режущего мунд­ штука подается струя режущего кислорода (чистота 98,5- 99,0 %). Кислород попадает на нагретый металл и зажигает его. При горении его выделяется значительное количество теплоты, которое совместно с теплотой, выделяемой подогревательным пламенем, передается нижележащим слоям металла, которые так­ же сгорают. Образующиеся при этом шлаки (окислы железа и т.д.) выдуваются струёй режущего кислорода из зазора между

кромками реза. Для проведения кислородной резки металл дол­ жен удовлетворять следующим требованиям: 1) Температура го­ рения металла должна быть ниже температуры его плавления, т.е. металл должен гореть в твёрдом состоянии. В противном случае расплавленный металл трудно удалять из полости реза. 2) Темпе­ ратура плавления образующихся при резке окислов должна быть ниже температуры плавления самого металла. В этом случае окислы легко выдуваются из полости реза. 3) Тепловой эффект образования окислов должен быть высоким. При резке стали ос­ новное количество теплоты (70-95%) образуется при окислении металла. Этим условиям удовлетворяют низкоуглеродистые и низколегированные стали, титановые сплавы. Чугун не режется кислородом вследствие низкой температуры плавления и высо­ кой температуры горения. Медь не режется вследствие высокой температуры плавления и малой теплоты сгорания. Алюминий не режется вследствие высокой тугоплавкости образующихся оки­ слов. Высоколегированные стали (хромистые, хромоникелевые и т.д.) не режутся ввиду образования тугоплавких, вязких шлаков.

С2Н2+О2

' Л I /

Рис. 8. Схема процесса газокислородной резки:

Î -режущий мундштук; 2 - режущий кислород; 3 - разрезаемый металл; 4 - подогревательный мундштук; 5 - подогревательное пламя; 6 - шлаки

Поверхность разрезаемого металла должна быть очищена от ржавчины и других загрязнений. Металл устанавливается в поло­ жение, лучше всего в нижнее, но так, чтобы был свободный выход режущей струи с обратной стороны. Операция резки начинается с предварительного подогрева в месте реза при температуре горения

металла (1200-1350°С). Устанавливаемая мощность подогреваю­ щего пламени зависит от рода горючего газа, толщины и состава разрезаемого металла. Начинают резку обычно с кромки металла. При толщинах до 80-100 мм возможно прорезать отверстие в лю­ бом месте листа. Ядро подогревающего пламени находится на расстоянии 2-3 мм от поверхности металла. Когда температура подогреваемого металла достигнет необходимой величины, пус­ кают струю режущего кислорода. Чем выше чистота режущего кислорода, тем выше качество и производительность резки. По мере углубления режущей струи в толщу реза, уменьшается ско­ рость и мощность струи режущего кислорода. Поэтому наблюда­ ется её искривление (рис. 9) для уменьшения которого даётся на­ клон режущей струи. При резке толстого металла ширина реза увеличивается к нижней кромке из-за расширения струи режущего кислорода. На кромках с их нижней стороны остаётся некоторое количество шлака. В металле на поверхности реза повышается со­ держание углерода. Причина этого в том, что при горении углеро­ да образуется окись углерода СО при взаимодействии которой с железом в нём и повышается содержание углерода. Возможна и диффузия углерода к кромке реза из близрасположенных участков металла. Если производится последующая сварка для предупреж­ дения повышения углерода в металле шва (образование закалён­ ных структур), следует производить механическую обработку или зачистку поверхности реза. В процессе реза происходит термооб­ работка металла кромок реза, соответствующая закалке. Ширина зоны термического влияния (до 6 мм) зависит от химсостава и возрастает с ростом толщины разрезаемого металла. Низкоуглеро­ дистая сталь закалке практически не поддаётся. Происходит толь­ ко укрупнение зерна и появление в структуре наряду с перлитом участков сорбита. При резке сталей с повышенным углеродом или легирующих примесей в структуре металла может появится тро­ стит и даже мартенсит. Неравномерный нагрев кромок создаёт на­ пряжение в металле и деформирует его. Кромки реза несколько укорачиваются, а в прилегающем слое возникают растягивающие напряжения, которые могут привести к образованию трещин. Вы­ сокое качество кромок реза получается при механизированной резке. Специальные машинные резаки закрепляются в суппорте, перемещаемом механическим приводом. Направление перемеще­

ния осуществляется по копирам, фотокопированием, с программ­ ным управлением и т.д. Подготовку кромок под сварку производят одновременно несколькими последовательно расположенными ре­ заками (рис. 10).

Рис. 9. Отставание режущей струи (а) ирезак, наклоненный для уменьшения отставания струи (б)

Рис. 10. Скос кромки под сварку:

а - двумя резаками; б - тремя резаками

Своеобразным способом является резка кислородным копь­ ём (прожигание отверстий). Для этого используются длинные толстостенные трубки диаметром 8-10 мм из низкоуглеродйстой стали. До начала рабочий конец трубки нагревают сварочным пламенем или угольной электрической дугой до температуры воспламенения металла в кислороде. При включении режущего кислорода конец трубки воспламеняется. Затем рабочий конец трубки слегка прижимают к металлу и углубляют в него выжигая отверстие. Образующийся шлак выдувается из отверстия наружу избыточным кислородом и образующимися газами. При з^ачи-

Материалами для газовой металлизации являются проволо­ ки, стержни или порошки из напыляемых металлов, их сплавов, окислов, органических соединений, керамических стержней и т.д. Напыляемый материал подаётся в распылительную головку (рис. 11) и расплавляется с помощью ацетилено-кислородного или пропан-кислородного пламени. Расплавленный материал струёй продуктов сгорания и воздуха распыляется и в виде мель­ чайших частиц наносится на поверхность детали. Частицы вдав­ ливаются в поверхность, и в отдельных местах свариваются с ней. Перед напылением поверхность следует тщательно зачищать и обезжиривать. Напылённый слой имеет неоднородную порис­ тую структуру, хрупок ввиду наличия большого количества оки­ слов и менее плотен, чем основной металл. Прочность сцепления стальных слоёв относительно невелика. Её можно повысить, на­ нося промежуточные слои из молибдена, никеля, композитных материалов. Термической обработкой можно улучшить свойства напылённого материала. Нагрев до плавления нанесённого слоя увеличивает его плотность.

2. РУЧНАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ

ЭЛЕКТРОДАМИ С ПОКРЫТИЕМ

Под техникой сварки обычно понимают приемы манипули­ рования электродом, выбор режимов сварки, приспособлений и способы их применения для получения качественного шва и т.п. Качество швов зависит не только от техники сварки, но и от дру­ гих факторов, таких как состав и качество применяемых свароч­ ных материалов, состояние свариваемой поверхности, качество подготовки и сборки кромок под сварку и т.д.

Дуговая сварка металлическими электродами с покрытием в настоящее время остается одним из распространенных методов, используемых при изготовлении сварных конструкций. Это объ­ ясняется простотой и мобильностью применяемого оборудова­ ния, возможностью выполнения сварки в различных пространст­ венных положениях и в местах, труднодоступных для механизи­ рованных способов сварки.

Существенный недостаток ручной дуговой сварки металли­ ческим электродом - малая производительность процесса и зави­ симость качества сварного шва от практических навыков свар­ щика. В первые годы применения дуговой сварки использовались металлические электроды с тонким ионизирующим покрытием, повышающим стабильность дуги. Однако свойства металла шва при этом были низкими. Поэтому в настоящее время подобные электроды для сварки не применяют.

Рис. 12. Ручная дуговая сварка металлическим электродом

спокрытием (стрелкой указано направление сварки):

1—металлический стержень; 2 —покрытие электрода; 3 - газовая атмосфера дуги; 4 -- сварочная ванна; 5 —затвердевший шлак;

б- закристаллизовавшийся металл шва; 7 - основной металл; 8 —капли расплавленного электродного металла; 9 - глубина проплавления

Сущность способа. К электроду и свариваемому изделию для образования и поддержания сварочной дуги от источников сварочного тока подводится постоянный или переменный сва­ рочный ток (рис. 12). Дуга расплавляет металлический стержень электрода, его покрытие и основной металл. Расплавляющийся металлический стержень электрода в виде отдельных капель, по­ крытых шлаком, переходит в сварочную ванну. В сварочной ван­ не электродный металл смешивается с расплавленным металлом изделия (основным металлом), а расплавленный шлак всплывает на поверхность.

Глубина, на которую расплавляется основной металл, назы­ вается глубиной проплавления. Она зависит от режима сварки(силы сварочного тока и диаметра электрода), пространствен­ ного положения сварки, скорости перемещения дуги по поверх­ ности изделия (торцу электрода и дуге сообщают поступательное движение вдоль направления сварки и поперечные колебания), от конструкции сварного соединения, формы и размеров разделки свариваемых кромок и т.п. Размеры сварочной ванны зависят от режима сварки и обычно находятся в пределах: глубина до 7 мм, ширина 8-15 мм, длина 10-30 мм. Доля участия основного ме­ талла в формировании металла шва обычно составляет 15-35%.

Расстояние от активного пятна на расплавленной поверхно­ сти электрода до другого активного пятна дуги на поверхности сварочной ванны называется длиной дуги. Расплавляющееся по­ крытие электрода образует вокруг дуги и над поверхностью сва­ рочной ванны газовую атмосферу, которая, оттесняя воздух из зоны сварки, препятствует взаимодействиям его с расплавленным металлом. В газовой атмосфере присутствуют также пары основ­ ного и электродного металлов и легирующих элементов. Шлак, покрывая капли электродного металла и поверхность расплав­ ленного металла сварочной ванны, способствует предохранению их от контакта с воздухом и участвует в металлургических взаи­ модействиях с расплавленным металлом.

Кристаллизация металла сварочной ванны по мере удаления дуги приводит к образованию шва, соединяющего свариваемые детали. При случайных обрывах дуги или при смене электродов кристаллизация металла сварочной ванны приводит к образова­ нию сварочного кратера (углублению в шве, по форме напоми­

нающему наружную поверхность сварочной ванны). Затверде­ вающий шлак образует на поверхности шва шлаковую корку.

Ввиду того, что от токоподвода в электрододержателе сва­ рочный ток протекает по металлическому стержню электрода, стержень разогревается. Этот разогрев тем больше, чем дольше протекание по стержню сварочного тока и чем больше величина последнего. Перед началом сварки металлический стержень име­ ет температуру окружающего воздуха, а к концу расплавления электрода температура повышается до 500-600°С (при содержа­ нии в покрытии органических веществ - не выше 250°С). Это приводит к тому, что скорость расплавления электрода (количе­ ство расплавленного электродного металла) в начале и конце раз­ лична. Изменяется и глубина проплавления основного металла ввиду изменения условий теплопередачи от дуги к основному ме­ таллу через прослойку жидкого металла в сварочной ванне. В ре­ зультате изменяется соотношение долей электродного и основно­ го металлов, участвующих в образовании металла шва, а значит,

исостав и свойства металла шва, выполненного одним электро­ дом. Это - один из недостатков ручной дуговой сварки покрыты­ ми электродами.

Зажигание и поддержание дуги. Перед зажиганием (воз­ буждением) дуги следует установить необходимую силу свароч­ ного тока, которая зависит от марки электрода, пространственно­ го положения сварки, типа сварного соединения и др. Зажигать дугу можно двумя способами. При одном способе электрод при­ ближают вертикально к поверхности изделия до касания металла

ибыстро отводят вверх на необходимую длину дуги. При другом - электродом вскользь «чиркают» по поверхности металла. При­ менение того или иного способа зажигания дуги зависит от усло­ вий сварки и от навыка сварщика.

Длина дуги зависит от марки и диаметра электрода, про­ странственного положения сварки, разделки свариваемых кромок

ит.п. Нормальная длина дуги считается в пределах /д = (0,5 + +1,1) ^эл (4*л - диаметр электрода). Увеличение длины дуги сни­ жает качество наплавленного металла шва ввиду его интенсивно­ го окисления и азотирования, увеличивает потери металла на угар и разбрызгивание, уменьшает глубину проплавления основ­ ного металла. Также ухудшается внешний вид шва.

Во время ведения процесса сварщик обычно перемещает электрод не менее чем в двух направлениях. Во-первых, он пода­ ет электрод вдоль его оси в дугу, поддерживая необходимую в зависимости от скорости плавления электрода длину дуги. Вовторых, перемещает электрод в направлении наплавки или сварки для образования шва. В этом случае образуется узкий валик, ши­ рина которого при наплавке равна примерно (0,8 -г- 1,5) d3л и зави­ сит от силы сварочного тока и скорости перемещения дуги по по­ верхности изделия. Узкие валики обычно накладывают при про­ варе корня шва, сварке тонких листов и тому подобных случаях.

При правильно выбранном диаметре электрода и силе сва­ рочного тока скорость перемещения дуги имеет большое значе­ ние для качества шва. При повышенной скорости дуга расплавля­ ет основной металл на малую глубину и возможно образование непроваров. При малой скорости вследствие чрезмерно большого ввода теплоты дуги в основной металл часто образуется прожог, и расплавленный металл вытекает из сварочной ванны. В некото­ рых случаях, например при сварке на спуск (рис. 14), образование под дугой жидкой прослойки из расплавленного электродного металла повышенной толщины, наоборот, может привести к об­ разованию непроваров.

Иногда сварщику приходится перемещать электрод поперек шва, регулируя тем самым распределение теплоты дуги поперек шва для получения требуемых глубины проплавления основного металла и ширины шва. Глубина проплавления основного метал­ ла и формирование шва главным образом зависят от вида попе­ речных колебаний электрода, которые обычно совершают с по­ стоянными частотой и амплитудой относительно оси шва (рис. 13). Траектория движения конца электрода зависит от про­ странственного положения сварки, разделки кромок и навыков сварщика. При сварке с поперечными колебаниями получают уширенный валик, ширина которого обычно составляет (2 ч- 4) ûfyi, а форма проплавления зависит от траектории поперечных ко­ лебаний конца электрода, т.е. от условий ввода теплоты дуги в основной металл.