книги / Сущность и техника различных способов сварки плавлением

вающей сквозное проплавление верхнего листа и сквозное или частичное проплавление нижнего. В зону дуги и сварочной ван­ ны подают защитные газы или их смеси. В отличие от контактной дуговая сварка возможна при одностороннем подходе к месту со­ единения, что не ограничивает размеры изделия. Сварка электро­ заклепок возможна вольфрамовым электродом на углеродистых, коррозионно-стойких сталях и титановых сплавах. Из-за недоста­ точной очистки поверхности алюминиевых сплавов катодным распылением их сварка этим способом затруднена.

Рис. 51. Типы газовых насадок для сварки электрозаклепок вольфрамовым электродом: а и б-нахлесточные соединения; в и г -угловые соединения

Сварку можно выполнять в любом пространственном поло­ жении. Для получения хорошего провара и формирования голов­ ки заклепки соединение следует собирать с минимальным зазо­ ром между листами. Качество соединений и их механические свойства зависят главном образом от силы сварочного тока, вре­ мени горения дуги и ее длины. Для регулирования времени горе­ ния дуги служат реле. При использовании в качестве защитного газа гелия диаметр закдепки получается больше, а глубина про­ плавления меньше, чем при использовании аргона.

Для вольфрамового электрода необходимы инертные газы, постоянный ток прямой полярности и специальной конструкции сварочные пистолеты, С помощью которых поджимают верхний лист к нижнему, закрепляют электрод, подводят сварочный ток и защитный газ. Хорошее качество заклепок достигается при тол­

щине верхнего листа до 2 мм. Во избежание загрязнения электро­ да дугу возбуждают с помощью осциллятора, который автомати­ чески отключается.

При увеличении силы сварочного тока при сварке листов равной толщины обычно увеличивается диаметр заклепки. Если нижний лист имеет большую толщину, растет и глубина про­ плавления. То же наблюдается и при увеличении времени горе­ ния дуги. Для обеспечения хорошей защиты зоны сварки приме­ няют различные типы газовых сопл-насадок (рис. 51). Для преду­ преждения образования подрезов, трещин и пор в заклепке, вы­ званных высокой скоростью кристаллизации металла, применяют повторное кратковременное возбуждение дуги или плавное уменьшение сварочного тока. При применении плавящегося электрода шов образуется за счет проплавления основного метал­ ла и расплавления электродной проволоки диаметром до 2 мм. Сварку можно выполнять с предварительной пробивкой отвер­ стия в верхнем листе или без него. Благодаря большей глубине проплавления при сварке в углекислом газе, чем под флюсом, без пробивки отверстия можно сваривать соединения с толщиной верхнего листа до 8 мм. Сварку выполняют при несколько повы­ шенном напряжении дуги на обычных полуавтоматах, снабжен­ ных специальными насадками для опирапия держателя на по­ верхность изделия. Для сварки используют постоянный ток об­ ратной полярности. Возможна также сварка алюминия и его сплавов.

Техника сварки стыков труб. Сварка стыков труб в пово­ ротном положении вручную или механизированно не представ­ ляет значительных трудностей. Однако швы выполняются только

содной наружной стороны, что препятствует провару корня шва

иформированию обратного валика на весу без применения спе­ циальных приспособлений.

Применение при автоматической сварке поперечных коле­ баний электрода значительно облегчает провар корня шва и фор­ мирование швов в последующих проходах. Амплитуда и частота поперечных колебаний электрода зависят от ширины разделки и параметров режима. Сборку труб под сварку осуществляют в специальных центраторах или на прихватках. При сварке вольф­ рамовым электродом прихватки выполняют длиной до 15 мм

обычно без присадочной проволоки за счет оплавления кромок. При сварке прихватки следует полностью переваривать. Для пре­ дупреждения вытекания расплавленного металла из сварочной ванны электрод смещают с зенита навстречу вращению труб. Ве­ личина смещения зависит от диаметра труб и режима сварки.

Сварку неповоротных стыков труб осуществляют в различ­ ных пространственных положениях. Ручную сварку вольфрамо­ вым электродом выполняют без разделки или с V-образной раз­ делкой кромок, используя присадочную проволоку диаметром 1,2-3 мм. Трубы с толщиной стенки до 1,5 мм сваривают в один проход, при большей толщине - в несколько проходов. Сварку труб диаметром 108 мм и выше следует выполнять вразброс. При толщине стенки более 8 мм возможно применение комбиниро­ ванного способа - первый проход вручную вольфрамовым элек­ тродом, а остальные - полуавтоматически или автоматически плавящимся электродом.

Автоматическую сварку вольфрамовым электродом выпол­ няют различными способами. Трубы диаметром 8-26 мм с тол­ щиной стенки 1 -2 мм можно сваривать без разделки кромок и без присадочной проволоки. Однако в процессе сварки наблюдается постепенное увеличение ширины шва и глубины проплавления ввиду разогрева трубы. Поэтому необходимо изменять в процессе сварки ее скорость - использовать установки с программирова­ нием скорости сварки. Однако и в этом случае шов практически не имеет усиления.

При сварке методом «автоопрессовки» получение усиления достигается за счет пластической деформации нагретого металла в направлении, перпендикулярном оси трубы, при многократном нагреве металла в месте стыка. Этим способом можно сваривать трубы из металла с большим коэффициентом линейного расши­ рения. Сварку первого слоя рекомендуется выполнять короткой дугой длиной до 1,2 мм на максимально возможной скорости для получения узких швов с неполным проваром. Остальные трипять проходов выполняют для получения усиления шва.

Этим способом сваривают трубы диаметром 20-57 мм с толщиной стенки 2-3,5 мм. Трубы диаметром 8-26 мм с толщиной стенки 1-2,5 мм можно сваривать с подготовкой кромок с приса­ дочным выступом (рис. 52, а), создаваемым путем раскатки торца

трубы. Усиление шва создается благодаря расплавлению металла присадочного выступа. Сварку обычно выполняют за один про­ ход. Трубы большого диаметра и с большей толщиной стенки сваривают, используя расплавляющееся подкладное кольцо (рис. 52, б), служащее для хорошего формирования обратного валика. Первый проход выполняют без присадочной проволоки. При этом следят за полным расплавлением подкладного кольца и прилегающей части кромок. Последующие проходы выполняют с присадочной проволокой или плавящимся электродом.

б)

Рис. 52. Подготовка стыков труб для сварки вольфрамовым электродом в среде защитных газов

При всех этих способах для улучшения формирования об­ ратного валика используют поддув защитного газа с обратной стороны или заполнение им части труб, ограниченной заглушка­ ми различной конструкции. Более ограниченное применение в практике находит сварка неповоротных стыков труб плавящимся электродом. Это вызвано трудностью получения хорошего про­ вара корня шва и формирования обратного валика. Обычно свар­ ку ведут с поперечными колебаниями электрода или без колеба­ ний и без скоса кромок по щелевому зазору определенного раз­ мера.

Сварка под флюсом затруднена из-за невозможности точно­ го направления электрода в разделку и наблюдения за образова­ нием шва. При сварке в защитных газах надежность защиты мо­ жет нарушаться из-за сквозняков, забрызгивания газовых сопл и т.п. В этих условиях применение порошковых проволок, соче­ тающих в себе положительные свойства покрытых стальных электродов (защита, легирование и раскисление расплавленного металла), и механизированной сварки проволоками сплошного сечения (высокая производительность) представляет большие производственные преимущества, особенно в монтажных усло­ виях. Этому способствует и отсутствие газовой аппаратуры (бал­ лонов, шлангов, газовых редукторов), флюса и флюсовой аппара­ туры, усложняющих процесс сварки или повышающих его трудо­ емкость (засыпка и уборка флюса и др.).

Возможность наблюдения при полуавтоматической сварке за направлением электрода в разделку, особенно при сварке с его поперечными колебаниями, а также за образованием шва - ос­ новные преимущества сварки порошковыми проволоками. Изме­ нение состава наполнителя сердечника порошковой проволоки позволяет воздействовать на химический состав шва и техноло­ гические характеристики дуги

Сущность способа. Порошковая проволока выпускается двух типов: для сварки в углекислом газе и самозащитная, т.е. без дополнительной защиты. Конструкция порошковой проволоки определяет некоторые особенности ее расплавления дугой. Сер­ дечник проволоки на 50-70% состоит из неметаллических мате­ риалов и поэтому его электросопротивление велико - в сотни раз больше, чем металлической оболочки. Поэтому практически весь сварочный ток проходит через металлическую оболочку, рас­ плавляя ее. Плавление же сердечника, расположенного внутри металлической оболочки, происходит в основном за счет тепло­ излучения дуги и теплопередачи от расплавляющегося металла оболочки. Ввиду этого сердечник может выступать из оболочки (рис. 53), касаться ванг*ы жидкого металла или переходить в нее частично в нерасплавленном состоянии. Это увеличивает засоре­ ние металла шва неметаллическими включениями.

Рис. 53. Плавление металлической оболочки и сердечника порошковой проволоки

Техника сварки. Обычно порошковые проволоки исполь­ зуют для сварки шланговыми полуавтоматами. Ввиду возможно­ сти наблюдения за образованием шва техника сварки стыковых и угловых швов в различных соединениях практически не отлича­ ется от техники их сварки в защитных газах плавящимся элек­ тродом. Однако образование на поверхности сварочной ванны шлака, затекающего при некоторых условиях в зазор между кромками в передней части сварочной ванны, затрудняет провар корня шва. При многослойной сварке поверхность предыдущих слоев следует тщательно зачищать от шлака.

Сварка порошковыми проволоками имеет свои недостатки. Малая жесткость трубчатой конструкции порошковой проволоки требует применения подающих механизмов с ограниченным уси­ лием сжатия проволоки в подающих роликах. Выпуск проволоки в основном диаметром 2,6 мм и более, требуя применения для ус­ тойчивого горения дуги повышенных сварочных токов, позволяет использовать их для сварки только в нижнем и редко в верти­ кальном положении. Это объясняется тем, что образующаяся сварочная ванна повышенного объема, покрытая жидкотекучим шлаком, не удерживается в вертикальном и потолочном положе­ ниях силой поверхностного натяжения и давлением дуги.

Наличие на поверхности сварочной ванны шлака, замедляя кристаллизацию расплавленного металла, также ухудшает усло­ вия образования шва в пространственных положениях, отличных от нижнего. Существенный недостаток порошковых проволок, сдерживающий их широкое промышленное применение, - повы­ шенная вероятность образования в швах пор, вызываемая нали­ чием пустот в проволоке. Кроме того, нерасплавившиеся компо­ ненты сердечника, переходя в сварочную ванну, способствуют

появлению газообразных продуктов. Диссоциация мрамора, окисление и восстановление углерода при нагреве и плавлении ферромарганца в сочетании с мрамором и другие процессы также могут привести к образованию в металле сварочной ванны газо­ вой фазы. В результате этого в швах появляются внутренние и поверхностные поры.

Рис. 54. Область режимов сварки проволокой ПП-2ДСК, обеспечивающих получение швов без пор:

а - влияние тока (вылет электрода L = 50 мм); б - влияние вылета электрода (1св = 300 А); I-область неустойчивого горения дуги;

вобласти II поры есть; в области III пор нет

Вэтих условиях режим сварки (сила тока, напряжение, вы­ лет электрода) оказывает большое влияние на возможность воз­ никновения в швах пор (рис. 54). Повышает вероятность образо­ вания пор также влага, попавшая в наполнитель при хранении проволоки, а кроме того, смазка и ржавчина, следы которых имеются на металлической ленте.

Порошковую проволоку используют и при сварке в углеки­ слом газе. Вероятность образования в швах пористости в этом случае снижается. В зависимости от состава наполнителя для сварки используют постоянный ток прямой или обратной поляр­ ности от источников с жесткой или крутопадающей характери­ стикой.

Сущность способа. Плазма - ионизированный газ, содер­ жащий электрически заряженные частицы и способный прово­ дить ток. Ионизация газа происходит при его нагреве. Степень ионизации тем выше, чем выше температура газа. В центральной части сварочной дуги газ нагрет до температур 5000-30000°С, имеет высокую электропроводность, ярко светится и представля­ ет собой типичную плазму. Плазменную струю, используемую для сварки и резки, получают в специальных плазматронах, в ко­ торых нагревание газа и его ионизация осуществляются дуговым разрядом в специальных камерах.

Вдуваемый в камеру газ (рис. 55), сжимая столб дуги в ка­ нале сопла плазматрона и охлаждая его поверхностные слои, по­ вышает температуру столба. В результате струя проходящего га­ за, нагреваясь до высоких температур, ионизируется и приобре­ тает свойства плазмы. Увеличение при нагреве объема газа в 50100 и более раз приводит к истечению плазмы с высокими около­ звуковыми скоростями. Плазменная струя легко расплавляет лю­ бой металл.

Рис. 55. Схемы получения дуговой плазменной струи:

а - прямого действия; б - косвенного действия; 1 - источник то^а; 2 - электрод; 3 - газ; 4 —сопло; 5 - плазменная струя

Дуговую плазменную струю для сварки и резки получают по двум основным схемам (рис. 55). При плазменной струе пря­ мого действия изделие включено в сварочную цепь дуги, актив­ ные пятна которой располагаются на электроде и изделийПри плазменной струе косвенного действия активные пятна дуги на­ ходятся на электроде и внутренней или боковой поверхности со-

пла. Плазмообразующий газ может служить также и защитой расплавленного металла от воздуха. В некоторых случаях для за­ щиты расплавленного металла используют подачу отдельной струи специального, более дешевого защитного газа. Газ, пере­ мещающийся вдоль стенок сопла, менее ионизирован и имеет по­ ниженную температуру. Благодаря этому предупреждается рас­ плавление сопла. Однако большинство плазменных горелок име­ ет дополнительное водяное охлаждение.

Дуговая плазменная струя - интенсивный источник теплоты с широким диапазоном технологических свойств. Ее можно ис­ пользовать для нагрева, сварки или резки как электропроводных металлов (обе схемы рис. 55), так и неэлектропроводных материа­ лов, таких как стекло, керамика и др. (плазменная струя косвенно­ го действия рис. 55, б). Тепловая эффективность дуговой плазмен­ ной струи зависит от величины сварочного тока и напряжения, со­ става, расхода и скорости истечения плазмообразующего газа, расстояния от сопла до поверхности изделия, скорости перемеще­ ния горелки (скорости сварки или резки) и т.д. Геометрическая форма струи может быть также различной (квадратной, круглой и т.д.) и определяться формой выходного отверстия сопла.

Техника сварки. Питание дуги, как правило, осуществляет­ ся переменным или постоянным током прямой полярности (ми­ нус на электроде). Возбуждают дугу с помощью осциллятора. Для облегчения возбуждения дуги прямого действия используют дежурную дугу, горящую между электродом и соплом горелки. Для питания плазмообразующей дуги требуются источники сва­ рочного тока с рабочим напряжением до 120 В, а в некоторых случаях и более высоким; для питания плазматрона, используе­ мого для резки, оптимально напряжение холостого хода источни­ ка питания до 300 В.

Плазменной струей можно сваривать практически все ме­ таллы в нижнем и вертикальном положениях. В качестве плазмо­ образующих газов используют аргон, азот, смесь аргона с азотом и водородом, углекислый газ и воздух (в основном для резки). В качестве электрода применяют вольфрамовые стержни или спе­ циальные медные со вставками из гафния или циркония. К пре­ имуществам плазменной сварки относятся высокая производи­ тельность, малая чувствительность к колебаниям длины дуги,

устранение включений вольфрама в металле шва. Без скоса кро­ мок можно сваривать металл толщиной до 15 мм с образованием провара специфической формы. Это объясняется образованием сквозного отверстия в основном металле, через которое плазмен­ ная струя выходит на обратную сторону изделия. Расплавляемый

впередней части сварочной ванны металл давлением плазмы пе­ ремещается вдоль стенок сварочной ванны в ее хвостовую часть, где кристаллизуется, образуя шов. По существу процесс пред­ ставляет собой прорезание изделия с заваркой места резки.

Плазменной струей можно сваривать стыковые и угловые швы. Стыковые соединения на металле толщиной до 2 мм можно сваривать с отбортовкой кромок, при толщине свыше 10 мм ре­ комендуется делать скос кромок. В случае необходимости ис­ пользуют дополнительный металл. Для сварки металла толщиной до 1 мм успешно используют микроплазменную сварку струей косвенного действия, в которой сила сварочного тока равна 0,1- 10 А.

Резка плазменной струей основана на расплавлении металла

вместе реза и его выдувании потоком плазмы. Плазменную струю используют для резки металла толщиной от долей до де­ сятков миллиметров. Для резки металла малой толщины исполь­ зуют плазменную струю косвенного действия. При повышенной толщине металла лучшие результаты достигаются при плазмен­ ной струе прямого действия. При резке даже углеродистых ста­ лей во многих случаях она более экономична, чем газокислород­ ная, ввиду высокой скорости и лучшего качества реза.

Взависимости от металла в качестве плазмообразующих га­ зов можно использовать азот, водород, аргоно-водородные, арго­ но-азотные, азото-водородные смеси. Использование для резки смесей газов, содержащих двухатомные газы, энергетически бо­ лее эффективно. Диссоциируя, двухатомный газ поглощает много теплоты, которая выделяется на холодной поверхности реза при объединении свободных атомов в молекулу. В последнее время, когда появилась возможность использовать водоохлаждаемые циркониевые и гафниевые электроды, в качестве режущего газа стали использовать и воздух. Сварку и резку можно выполнять вручную и автоматически.