книги / Основы сварочных работ при сооружении магистральных трубопроводов

При сварке на спуск жидкий металл стекает под дугу и глубина провара снижается. Блуждание дуги по поверхности сварочной ванны усиливается, что увеличивает ширину шва.

Изменение формы шва путем наклона изделия применяется редко. В основном при сварке кольцевых швов, когда электрод смещается с зенита.

3.2.8. Марка свариваемых материалов

При сварке на одинаковом режиме различных материалов размеры и форма швов будут различными. Наибольшее влияние оказывают температура плавления и теплопроводность материала, от которых зависят размеры сварочной ванны. Чем ниже Тпл и теплопроводность, тем большим будет объем расплавленного металла. Удельный вес материала влияет на высоту столба жидкого металла. Чем легче металл, тем сильнее он вытесняется из-под дуги и провар будет больше. Поэтому, например, алюминий и его сплавы проплавляются на большую глубину по сравнению со сталью.

3.2.9.Толщина свариваемого материала

иего температура

Если глубина провара не превышает 0,7–0,8 начальной толщины листа, то форма шва не меняется с увеличением толщины. Если же Нпр превышает 0,7–0,8 δ основного металла, то резко меняются условия теплоотвода от нижней части сварочной ванны, что приводит к скачкообразному нарастанию провара, вплоть до сквозного проплавления. При этом форма и размеры шва заметно меняются.

Некоторое влияние на форму шва оказывает и начальная температура свариваемого металла. При низких температурах уменьшается глубина провара и ширина шва, усиление шва возрастает. При сварке с подогревом выше 100 °С глубина провара и ширина шва увеличиваются, а усиление несколько уменьшается.

21

3.2.10. Вылет электрода

Увеличение вылета электрода вызывает больший подогрев его проходящим током, увеличение скорости плавления электрода и коэффициента наплавки. При этом сварочный ток и глубина провара уменьшаются. Особо заметно влияние вылета электрода при сварке проволокой диаметром до 2,5 мм. При использовании проволок с большим диаметром этот фактор можно не учитывать.

Помимо рассмотренных, на размеры и форму шва оказывают влияние и многие другие факторы: движение конца электрода при сварке поперек шва; расположение электродов при многоэлектродной сварке; состав и насыпной вес флюса и т.д.

4. СВАРИВАЕМОСТЬ

Свариваемость – технологическое свойство материалов, характеризующее их способность образовывать при установленной технологии сварки соединения, которые отвечают конструктивным и эксплуатационным требованиям к ним.

Свариваемость зависит от состава и свойств материала. Чем хуже свариваемость, тем сложнее технология сварки.

Критерии свариваемости:

−окисляемость металла при сварке,

−сопротивляемость образованию горячих и холодных трещин,

−чувствительность металла к тепловому воздействию сварки,

характеризуемая его склонностью к росту зерна, структурными и фазовыми изменениями в шве и зоне термического влияния,

− чувствительность к образованию пор. Критерии свариваемости приведены в табл. 1.

Свариваемость труб оценивается по величине эквивалента углерода [С]э (не должна превышать 0,46), который рассчитывается следующим образом:

22

1. Для низкоуглеродистых низколегированных сталей, независимо от состояния их поставки (горячекатаные, нормализованные и термически упрочненные):

где С, Мn, Сr, Мo, V, Nb, Ti, Cu, Ni, B – содержание, % от массы,

в составе металла трубной стали соответственно углерода, марганца, хрома, молибдена, ванадия, ниобия, титана, меди, никеля, бора.

2. Для углеродистой стали (например, Ст. 3, стали 10, 20) и низколегированной стали, только с кремнемарганцевой системой легирования (например, 17ГС, 17Г1С, 09Г2С):

[C]э = С+ Mn6

(Сu, Ni, Сr, содержащиеся в трубных сталях как примеси, при подсчете не учитываются).

23

5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДУГИ

Электрическая дуга представляет собой мощный электрический длительный разряд в газовой среде между двумя электродами. Электрический разряд в газах есть прохождение электрического тока в ионизированной газовой среде.

При нормальных условиях все газы не проводят электрический ток, так как в них нет свободных электрических зарядов. При этих условиях все газы являются хорошими диэлектриками (изоляторами). Газы способны проводить электрический ток в том случае, если в них появляются свободные электрически заряженные частицы.

Явление ионизации газов. Процесс образования в газе свободных электрически заряженных частиц называется ионизацией. Свободными заряженными частицами в газах могут быть электроны, ионы (положительные и отрицательные). Если к ионизированному газовому промежутку приложить электрическое напряжение, то начнется электрический газовый разряд (прохождение электрического тока). При прохождении электрического тока через ионизированный газ положительные ионы движутся к отрицательному полюсу электрической цепи (катоду), электроны и отрицательные ионы – к положительному полюсу (аноду).

Ионизация газа может происходить при воздействии на газ высокой температуры, мощного электрического поля, мощного светового излучения, при столкновении свободных электронов с нейтральными атомами. В зоне сварочной дуги ионизация газа происходит в основном за счет высокой температуры (термическая ионизация). Высокая температура газа поддерживается притоком энергии из питающей электрической цепи.

Процесс возникновения сварочной дуги. Ионизация дугового промежутка в начальный момент возникает в результате термоэлектронной эмиссии с поверхности катода. Существенное влияние на стабильное горение сварочной дуги оказывает термическая ионизация дугового промежутка.

24

Чтобы создать условия термоэлектронной эмиссии, необходимо раскалить поверхность катода. С этой целью производят короткое замыкание электрической (сварочной) цепи: электродом касаются основного металла (изделия). При отрыве электрода дуговой промежуток заполняется свободными электронами, вышедшими с поверхности раскаленного катода. Одновременно происходит термическая ионизация дугового промежутка – он заполняется ионизированными частицами газов, паров металла и электродного покрытия.

С ростом числа свободных заряженных частиц в дуговом промежутке растет его электрическая проводимость. В результате сила тока через дуговой промежуток увеличивается, а напряжение дуги уменьшается. Рост тока и уменьшение напряжения дуги происходят до определенного предела, затем наступает устойчивое состояние дугового разряда – горение дуги.

В установившемся режиме горения дуга при сварке плавящимся штучным (покрытым) электродом горит устойчиво при напряжении 18–25 В. Этого напряжения достаточно для поддержания дугового разряда, когда дуговой промежуток хорошо ионизирован и имеет малое электрическое сопротивление.

Но для возбуждения сварочной дуги такого напряжения недостаточно, так как в начальный момент образования дуги (мгновенное состояние после отрыва электрода от изделия после короткого замыкания) дуговой промежуток ионизирован очень слабо и имеет большое электрическое сопротивление. В момент возбуждения сварочной дуги необходимо более высокое напряжение – не менее 60 В.

Понятие устойчивости горения дуги. Сварочная дуга, горящая равномерно, без произвольных обрывов, с незначительными произвольными изменениями величины тока в ней, называется устойчивой.

Сварочная дуга называется неустойчивой, если она горит неравномерно, часто обрывается и гаснет, если произвольные изменения величины тока в ней значительны.

Строение сварочной дуги. Электрическая сварочная дуга (рис. 15) постоянного тока имеет три основные четко выраженные зоны: катодную область, анодную область и столб дуги.

25

Явление магнитного дутья. Отклоняющее действие магнитных полей на сварочную дугу носит название магнитного дутья (рис. 16). Сварочную дугу можно рассматривать как гибкий газовый проводник электрического тока. При взаимодействии магнитного поля столба дуги с магнитными полями, возникающими при прохождении сварочного тока по изделию, или с ферромагнитными массами может произойти отклонение сварочной дуги от своей оси, и в результате нарушится сварочный процесс.

Pис. 16. Явление магнитного дутья: a – влияние места токоподвода к изделию; б – влияние ферромагнитной массы; в – влияние типа сварного соединения

Магнитное дутье резко повышает разбрызгивание электродного металла, ухудшает качество сварных швов и снижает производительность сварочного процесса. Явление магнитного дутья может существенно затруднить сварку постоянным током, при сварке переменным током оно проявляется значительно слабее. Силовое действие магнитного поля пропорционально квадрату силы тока, поэтому магнитное дутье особенно заметно себя проявляет при сварке на больших токах (свыше 250 А).

На величину магнитного дутья оказывают влияние следующие факторы: место присоединения сварочного провода к основному металлу (изделию), присутствие вблизи места сварки значительных ферромагнитных масс, тип сварного соединения.

27

Присоединение сварочного провода к изделию в отдалении от дуги приводит к отклонению ее в сторону, противоположную токоподводу. Сильным фактором, действующим на отклонение дуги, являются ферромагнитные массы, имеющие, высокую магнитную проницаемость, значительно большую, чем воздух. Близко расположенные к дуге ферромагнитные массы вызывают направленный магнитный поток, который отклоняет дугу в сторону массы. Это явление наблюдается при сварке стыковых швов вблизи массивных элементов крепления, при сварке угловых швов, при сварке листов различной толщины, при сварке стыковых швов с разделкой кромок при большой толщине металла.

Для уменьшения отрицательного влияния магнитного дутья рекомендуется принимать следующие меры (рис. 17):

1.В процессе сварки поддерживать предельно короткую дугу.

2.В зависимости от величины отклонения дуги изменять угол наклона электрода, при этом его конец направлять в сторону отклонения дуги (см. рис. 17, а).

Рис. 17. Уменьшение отрицательного влияния магнитного дутья: а – изменение угла наклона электрода; б – симметричные ферромагнитные массы вблизи места сварки; в – присоединение сварочного провода к изделию

3.Временно размещать симметричные ферромагнитные массы (тела) вблизи места сварки (см. рис. 17, б).

4.Присоединять сварочный провод к изделию в непосредственной близости к дуге (см. рис. 17, в). При сварке длинных швов

28

токоподвод к изделию можно осуществлять при помощи двух проводов (в начале и в конце шва) и даже трех (в начале, середине и в конце шва). При сварке длинных швов в нижнем положении сварочный провод можно присоединить к стальной плитке и периодически перемещать ее по изделию вдоль шва по мере продвижения дуги.

5.1. Физико-химические процессы при сварке

Образование сварного соединения в связи с введением концентрированной энергии в зону соединения сопровождается сложными физическими и химическими процессами.

Кфизическим относят процессы, которые, изменяя физические свойства вещества, не изменяют строение элементарных частиц, из которых состоит данное вещество, и не приводят к изменению его химических свойств [29].

Химические процессы изменяют строение элементарных частиц, из которых состоит данное вещество, в результате чего получаются новые вещества с новыми химическими и физическими свойствами.

Косновным физическим процессам при сварке плавлением относят электрические, тепловые, механические процессы в источниках нагрева; плавление основного и электродного (присадочного) металла, их перемешивание, формирование и кристаллизацию сварочной ванны; ввод и распространение тепла в свариваемом соединении, приводящее к изменению структуры металла шва и зоны термического влияния и образованию собственных сварочных деформаций и напряжений.

Косновным химическим процессам относятся химические реакции в газовой и жидкой фазах, на границах фаз (газовой с жидкой, газовой с твердой, жидкой с твердой) при взаимодействии компонентов покрытий, флюсов, защитных газов с жидким металлом с образованием окислов, шлаков, окислением поверхности т. д.

Под действием физико-химических процессов возникает характерное строение сварного соединения.

29

Сварное соединение при сварке плавлением (рис. 18, а) включает в себя: сварной шов 1, т.е. участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации сварочной ванны; зону сплавления 2 (сцепления), где находятся частично оплавившиеся зерна металла на границе основного металла и шва; зону термического влияния 3, т.е. участок основного металла, не подвергшийся расплавлению, структура и свойства которого изменились в результате нагрева при сварке плавлением или резке; основной металл 4, т.е. металл подвергающихся сварке соединяемых частей, не изменивший свойств при сварке.

Рис. 18. Схема сварного соединения при сварке: а – плавлением; б – давлением

Соединение, выполненное сваркой давлением (см. рис. 18, б), в твердом состоянии состоит из зоны соединения 2, где образовались межатомные связи соединяемых частей, зоны термомеханического влияния 3, основного металла 4. В формировании структуры и свойств сварного соединения при сварке плавлением определяющая роль принадлежит тепловым процессам, при сварке давлением – пластической деформации.

5.2. Формирование и кристаллизация сварочной ванны

Формирование сварочной ванны происходит под действием силы тяжести расплавленного металла Рм, давления источника теплоты (например давления дуги) Рд и сил поверхностного натяжения Рп, действующих на поверхности металла (рис. 19). Характер действия этих сил зависит от положения сварки.

30