книги / Основы сварочных работ при сооружении магистральных трубопроводов

ся наиболее благоприятная, с точки зрения работоспособности, форма проплавления сварных соединений. Электроды с покрытием этого вида наиболее широко применяют для сварки стыков магистральных трубопроводов.

К недостаткам электродов с целлюлозным покрытием следует отнести повышенные потери электродного металла на разбрызгивание, образование узких трещиноподобных подрезов по свариваемым кромкам, грубочешуйчатую поверхность швов.

Основное покрытие (Б) в качестве основы содержит карбонаты (мрамор, мел, магнезит) и плавиковый шпат; газовая защита обеспечивается разложением карбонатов в процессе нагрева и плавления покрытия. Металл раскисляется марганцем, кремнием, титаном, вводимыми в покрытие в виде ферросплавов, или алюминием, вводимым в виде порошка.

Эти покрытия слабоокислительные, поэтому позволяют легировать металл шва элементами с большим сродством к кислороду. Наличие большого количества соединений кальция, хорошо связывающих серу и фосфор и выводящих их в шлак, обеспечивает высокую чистоту наплавленного металла, его повышенные пластические свойства, а легирование марганцем и кремнием обеспечивает высокую прочность сварного соединения. Швы, выполненные такими электродами, обладают высокой стойкостью к образованию горячих трещин и наиболее высокой (по сравнению с любыми другими покрытиями) ударной вязкостью. Величина αН составляет не менее

13кгс м/мм2 и может достигать 25 кгс м/мм2.

Кнедостаткам основного покрытия следует отнести: низкую технологичность при сварке переменным током; склонность к образованию пор при увлажнении покрытия и наличии влаги, окалины, масла или ржавчины на свариваемых кромках, а также при увеличении толщины покрытия и длины дуги.

На базе покрытий основного типа (Б) обычно составляют композиции покрытий электродов для сварки ответственных конструкций из низколегированных и углеродистых сталей, среднелегированных сталей и всех электродов для сварки высоколегированных сталей.

61

7.4. Неплавящиеся электроды

Неплавящиеся электроды служат для возбуждения и поддержания горения дуги. Они представляют собой стержни круглого или прямоугольного сечения, закрепляемые в электрододержателях сварочных горелок. Дуга горит между торцом электрода и свариваемым изделием. В образовании сварного шва неплавящийся электрод не участвует. Если требуется дополнительный металл, в зону дуги вводят присадочную проволоку.

Хотя неплавящиеся электроды не расплавляются, они частично расходуются вследствие окисления и испарения. Поэтому при работе их периодически затачивают. Концу электрода придают форму конуса для уменьшения блуждания дуги.

Исходя из назначения и условий работы, к материалу неплавящихся электродов предъявляют следующие основные требования:

−высокая температура плавления и кипения (испарения);

−жаростойкость (стойкость к окислению при высоких температурах);

−высокая электронная эмиссия;

−достаточная механическая прочность.

Указанным требованиям удовлетворяет вольфрам, в несколько меньшей степени уголь и другие материалы.

Наибольшее применение в сварочной технике находят вольфрамовые электроды, которые используют для дуговой сварки в среде инертных газов, водороде, азоте, вакууме, а также для плазменной сварки, резки и напыления.

Вольфрам является одним из самых тугоплавких металлов. Температура плавления чистого вольфрама – 3400 °С, температура кипения – 5900 °С, удельное электросопротивление при 0 °С – 5,035 10–6 Ом/см, твердость по Бринеллю HB 544−3980, предел прочности σв = 84−110 кГс/мм2. Расход вольфрама, благодаря его малой летучести при очень высоких температурах, незначителен и практически составляет 0,04–0,07 г на 1 пог. м шва.

62

Неплавящиеся электроды изготовляют из технически чистого вольфрама, а также из вольфрама с добавками оксидов лантана, тория, иттрия и металлического тантала. Активизирующие добавки снижают эффективный потенциал ионизации, в результате чего облегчается зажигание дуги, увеличивается устойчивость дугового разряда, повышается стойкость электродов, появляется возможность значительно повысить плотность тока, так как при этом конец электрода не изменяет формы в процессе сварки.

Наилучшими сварочными характеристиками обладают электроды с присадкой 3%-ного оксида иттрия. Иттрированные электроды по сравнению с торированными и лантанированными дают возможность работать при больших токах с меньшим расходом вольфрама. Применение торированных электродов в настоящее время сокращено до минимума из-за их радиоактивности.

Электроды из чистого вольфрама обычно применяют для сварки переменным током, а электроды из вольфрама с активирующими присадками − для сварки как на переменном, так и на постоянном токе. При сварке на переменном токе однофазной дугой легированные электроды не имеют значительных преимуществ перед обычными вольфрамовыми.

Требования к вольфрамовым электродам регламентируются ГОСТ 23949–80. В зависимости от химического состава изготовляют электроды следующих марок: ЭВЧ − из вольфрама чистого; ЭВЛ − из вольфрама с присадками оксида лантана; ЭВТ-1 − с присадками оксида тория; ЭВИ-1, ЭВИ-2, ЭВИ-3 − с присадками оксида иттрия и металлического тантала. Цифры в обозначении марки вольфрамового электрода указывают количество активирующей присадки в десятых долях процента.

Изготавливают электроды диаметрами 0,5; 1; 1,6; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10 мм и длиной 75; 150; 200 и 300 мм (для разных марок диаметры и длины электродов могут отличаться).

Угольные и графитовые электроды применяют значительно реже вольфрамовых. Они также имеют высокие температуры плав-

63

ления и кипения, но отличаются малой теплопроводностью; дуга горит менее устойчиво, наблюдается блуждание дуги.

Угольные электроды изготавливают путем прессования электротехнического угольного порошка и последующей его термической обработки. Их выполняют в виде стержней круглого и прямоугольного сечения марок ВДК − воздушно-дуговые круглые, ПДК − воздушно-дуговые плоские. Электроды марки ВДК имеют диаметры 6; 8; 10 и 12 мм и длину 300 мм; плоские стержни марки ВДП имеют сечение 5×12 и 5×18 мм и длину 350 мм. Для сварки изготавливают круглые стержни (марка СК − сварочные круглые) диаметром 4; 6; 8; 10; 12; 15 и 18 мм длиной 250 мм.

Графитовые электроды получают из синтетических угольных стержней путем термической обработки при температуре 2600 °С. Технические требования к графитовым электродам приведены в ГОСТ 4426–80.

Близкие по химическому составу угольные и графитовые электроды заметно отличаются по физико-механическим свойствам, что имеет значение при сварке. Уголь начинает окисляться при температуре в 1,5−2,0 раза ниже температуры окисления графита, имеет меньшую тепло- и, особенно, электропроводность. Поэтому угольные электроды довольно быстро сгорают, и предпочтение отдают графитовым электродам.

Графитовые электроды по химическому составу чище угольных, темно-серого цвета с металлическим оттенком. Благодаря большей электропроводности и большей стойкости к окислению на воздухе при высоких температурах возможно применение графитовых электродов при сварке на повышенных плотностях тока. Недостатком графитовых электродов является их низкая механическая прочность.

Для стабилизации горения дуги угольные и графитовые электроды затачивают на конус. Угол заточки составляет 60–70°. С той же целью изготавливают угольные электроды с фитилем, т.е. каналом внутри стержня, заполненным легкоионизируемой порошковой массой.

64

Сварочные электроды могут быть покрыты слоем меди, наносимым электролитическим методом. Омедненные электроды расходуются медленнее, большее время сохраняют свой диаметр и улучшают условия работы горелки. Расход на окисление при этом сокращается вдвое. Большое значение имеет толщина слоя омеднения. Омеднение служит в основном как защитное покрытие от окисления, медный слой тонкий (0,1−0,2 мм на сторону). На прочность углей это покрытие мало влияет. Значительное увеличение медного слоя ухудшает работу дуги.

7.5. Сварочные флюсы

Сварочными флюсами называют специально приготовленные неметаллические гранулированные порошки, применяемые при сварке под флюсом и при электрошлаковой сварке. Расплавляясь под действием источника тепла, флюсы выделяют газы и превращаются в жидкий шлак, а после химико-металлургического взаимодействия с окружающей атмосферой и металлом и затвердевания образуют на поверхности шва шлаковую корку.

В процессе сварки флюс должен обеспечивать защиту зоны сварки от атмосферного воздуха, устойчивость горения дуги, хорошее формирование металла шва, плотные швы, не склонные к кристаллизационным трещинам, легкую отделяемость шлаковой корки после остывания, наименьшее выделение пыли и вредных для здоровья сварщика газов, а также ряд дополнительных требований при использовании флюсов для различных металлов.

7.5.1. Классификация сварочных флюсов

Флюсы классифицируют по назначению, химическому составу, химическим свойствам, степени легирования металла шва, способу изготовления, строению частиц и т.д.

По назначению, в зависимости от их преимущественного применения, флюсы делятся на три группы: для сварки углеродистых и легированных сталей; для сварки высоколегированных сталей; для

65

сварки цветных металлов и сплавов. В отдельных случаях флюсы, предназначенные для сварки металлов одной группы, могут быть применены для сварки металлов другой группы.

По химическому составу, в зависимости от шлаковой основы, сварочные флюсы подразделяют на три группы: оксидные, солевые и солеоксидные.

Оксидные флюсы состоят из оксидов металлов и могут содержать до 10 % фтористых соединений. Их применяют для сварки углеродистых и низколегированных сталей.

Солевые флюсы состоят из фтористых и хлористых солей металлов и других не содержащих кислород химических соединений. Они используются для сварки активных металлов и шлакового переплава.

Солеоксидные флюсы состоят из фторидов и оксидов металлов, применяются для сварки легированных сталей.

Согласно рекомендации Международного института сварки, по химическому составу сварочные флюсы разделяют на типы (табл. 5).

Таблица 5

Классификация сварочных флюсов по содержанию основных составляющих

66

По химическим свойствам оксидные флюсы в зависимости от соотношения входящих в них масс кислых и основных оксидов подразделяются на кислые, основные и нейтральные. К кислым отно-

сятся SiO2 и TiO2, к основным − CaO, MgO, MnO, Feo. Фториды

ихлориды относятся к химически нейтральным соединениям.

Взависимости от содержания SiO2, MnO различают флюсы вы-

сококремнистые (свыше 37−40 % SiO2), низкокремнистые (до 35 % SiO2) и безкремнистые (в качестве примесей не более 4 % SiO2), безмарганцевые (не более 1,0 % MnO), марганцевые (более 1,0 % MnO).

По способу изготовления флюсы делятся на плавленые и неплавленые. Плавленые флюсы получают сплавлением компонентов шихты в электрических или пламенных печах. Сплавленную массу после охлаждения подвергают дроблению на зерна требуемого размера.

Неплавленные флюсы представляют собой механическую смесь порошкообразных материалов, замешанную на определенном связующем, например, жидком стекле, прокаленную и гранулированную в зерна определенных размеров. В зависимости от способа изготовления неплавленные флюсы подразделяют на керамические, спеченные и флюсы-смеси.

Принципиальное отличие плавленого флюса от неплавленого в том, что плавленый флюс не может содержать легирующие элементы в чистом виде, − в процессе плавки они неизбежно окисляются. Легирование плавлеными флюсами происходит путем восстановления элементов из окислов, находящихся во флюсе, что значительно ограничивает возможность получения наплавленного металла требуемого химического состава.

Преимуществом плавленых флюсов являются высокие технологические свойства (защита, формирование шва, отделимость шлаковой корки и другие) и малая стоимость.

Основным преимуществом неплавленых флюсов является возможность легирования металла шва через флюс и получение наплавленного металла требуемого состава, так как флюсы при изго-

67

товлении не подвергаются расплавлению и в них можно вводить ферросплавы и другие легирующие компоненты.

К недостаткам неплавленых флюсов можно отнести:

−зависимость химического состава металла шва от режима сварки (особенно от напряжения дуги);

−малую механическую прочность частиц флюса.

По степени легирования металла шва различают флюсы пассивные, практически не вступающие во взаимодействие с расплавленным металлом, и активные. Активные флюсы могут быть слаболегирующими (например, плавленые флюсы) и сильнолегирующими. Почти все керамические флюсы являются сильнолегирующими.

По строению частиц плавленые флюсы разделяют на стекловидные, пемзовидные и кристаллические. Стекловидный флюс представляет собой прозрачные зерна различных оттенков (коричневого, зеленого, синего, черного и белого цветов). Пемзовидный флюс имеет зерна пенистого материала, а кристаллический флюс характеризуется кристаллическим строением зерен. Окраска этих флюсов может быть также самой разнообразной.

Строение зерен флюса оказывает влияние на процесс и качество сварки. Пемзовидный флюс одинакового со стекловидным состава имеет в 1,5−2,0 раза меньше удельный вес. Эти флюсы хуже защищают металл от воздействия воздуха, но обеспечивают лучшее формирование швов при больших токах и скоростях сварки.

В настоящее время в промышленности преимущественно применяют плавленые флюсы. На основные марки флюсов существует ГОСТ 9087–81 «Флюсы сварочные плавленые», который распространяется на плавленые флюсы, применяемые для дуговой автоматической и механизированной сварки и наплавки и электрошлаковой сварки сталей. В стандарте приведены данные о химическом составе 24 марок флюсов, строении, размере, цвете зерен и другие технические требования, а также правила приемки, методы испытаний, правила маркировки, упаковки, транспортирования и хранения флюсов. Имеется раздел «Требования безопасности».

68

7.6. Защитные газы

Защитные газы предназначены для защиты дуги и металла в зоне сварки от вредного воздействия окружающего воздуха. Эта защита осуществляется путем физического оттеснения воздуха потоком газа от места сварки. Защитные газы подразделяют на инертные и активные.

7.6.1. Инертные газы

Инертными называют газы, не способные к химическим реакциям и практически не растворимые в металлах. Это одноатомные газы, атомы которых имеют заполненные электронами наружные электронные оболочки, чем и обусловлена их химическая инертность. Поскольку в любом однородном газе всегда имеется некоторое количество примесей, инертность газа определяется степенью его чистоты. Из инертных газов для сварки используют аргон и гелий.

Аргон (Ar) − инертный газ без цвета и запаха, неядовитый. Почти в 1,5 раза тяжелее воздуха, что обеспечивает при сварке хорошую защиту сварочной ванны. Аргон получают из воздуха, в котором он содержится в качестве небольшой примеси (0,93 % по объему).

В сварочном производстве используется аргон, поставляемый в газообразном и жидком состояниях. Согласно ГОСТ 10157–79 выпускается аргон двух сортов: высшего (чистотой не менее 99,993 %) и первого (чистотой не менее 99,987 %).

Газообразный аргон хранят и транспортируют в стальных баллонах емкостью 40 дм3 (40 л) под номинальным давлением 15 МПа (150 ат). Возможна также транспортировка аргона в жидком виде в специальных цистернах или сосудах Дьюара с последующей его газификацией.

Хотя аргон нетоксичен и невзрывоопасен, следует иметь в виду, что как относительно тяжелый газ он может накапливаться в слабопроветриваемых помещениях у пола и в приямках, а также внутри свариваемых емкостей. При этом снижается содержание кислорода

69

в окружающей атмосфере, что вызывает кислородную недостаточность и удушье у электросварщика.

7.6.2. Активные газы

Активные газы защищают зону сварки от воздуха, но сами растворяются в жидком металле либо вступают с ним в химическое взаимодействие. Из активных газов для сварки широко используют углекислый газ. Другие активные газы − кислород, водород, азот − применяют как компоненты защитных газовых смесей.

Углекислый газ (CO2 − двуокись углерода) в нормальных условиях представляет собой бесцветный газ с едва ощутимым запахом, примерно в 1,5 раза тяжелее воздуха. При повышении давления и понижении температуры переходит в жидкое или твердое состояние.

Жидкая двуокись углерода (углекислота) − бесцветная жидкость, при комнатной температуре существует лишь при давлении более 5,85 МПа. В нормальных условиях при испарении 1 кг жидкой углекислоты образуется 509 л газа. Плотность жидкой углекислоты сильно зависит от температуры, поэтому ее качество оценивают по массе.

При охлаждении без давления углекислый газ переходит в твердое состояние (сухой лед), минуя жидкое. Жидкая углекислота при давлении 0,53 МПа и понижении температуры до –56,6 °С также затвердевает. При нагреве сухой лед превращается в газ. Для испарения сухого льда необходимо подвести значительно больше теплоты, чем для испарения углекислоты.

Исходным продуктом для получения углекислого газа и сухого льда является жидкая углекислота. В промышленности ее вырабатывают из дымовых газов котельных установок, из отходящих газов различных химических производств, при обжиге известняка и т.п. Углекислоту транспортируют и поставляют в баллонах или изотермических емкостях.

При сварке чаще всего используют углекислоту из баллонов. В баллон емкостью 40 дм3 заливают 25 л жидкой углекислоты, при

70