Технология сварки под флюсом

Широкое применение этого способа сварки, предложенного в конце тридцатых годов, обусловлено высокими качествами его сварных соединений и производительности труда. В отличие от ручной сварки обмазанными электродами, величины сварочного тока при экономичном способе достигают 2000 А. Сварку можно производить на постоянном токе дугой прямой и обратной полярности, а так же на переменном токе.

Количество тепла, выделяемое электрической дугой, горящей под флюсом в газовом пузыре (рис. 23), ограниченном с нижней стороны сварочной ванной 7, а сверху - горкой расплавленного флюса 5, расходуется в процессе выполнения шва следующим образом: на расплавление электрода идет (14 – 16) %, на расплавление кромок металла - 18 %, на расплавление флюса - 20 %, на подогрев свариваемых кромок основного металла - 40 %, и радиационное излучение составляет (6 – 8) %. Таким образом, коэффициент полезного действия сварочного процесса составляет 54 %. Сварочная дуга горит между голой электродной проволокой (1), под током, и свариваемым металлом, находящимся под слоем флюса (3). Металл расплавленных кромок и сварочной проволоки под воздействием дуги и поверхностного натяжения отбрасывается в хвостовую часть сварочной ванны 7, в результате чего образуется сварной шов 6. Расплавленный над дугой флюс образует затвердевшую шлаковую корку 8 на поверхности шва.

Р ис. 23. Схема процесса автоматической сварки под флюсом

Эффективная защита сварочной ванны от взаимодействия с воздухом обеспечивается при определенной толщине флюса. Толщина слоя флюса выбирается в зависимости от мощности сварочной дуги: при силе тока 200 – 400 А толщину слоя флюса делают равной от 25 до 35 мм, при силе тока 400 – 800 А – от 35 до 45 мм.

Производительность расплавления электродной проволоки главным образом зависит от силы сварочного тока дуги:

G = α_р ∙ I_св , (0)

где α_р– коэффициент расплавления электродной проволоки в

г/А∙ч.

При одинаковых условиях (одинаковых проволоках по химическому составу и флюсе) коэффициент расплавления α_р зависит от диаметра проволоки d_э, силы тока дуги I_св, вылета электрода h_эл, и при увеличении диаметра электрода и силы тока дуги, он почти линейно возрастает. При сварке под флюсом вылет электрода обычно равен h_эл = 10d_эл.

Представим коэффициент расплавления электродной проволоки в виде

α_р=α_p'+ Δα_p' , (0)

где Δα_p' - величина коэффициента, определяемая вылетом

электрода, Δα_р' зависит от отношения вылета электрода к квадрату диаметра сварочной проволоки, т. е. h_эл/d_эл², и поэтому вылет электрода очень существенно влияет на производительность расплавления у проволок малого диаметра и весьма ограниченно у проволок большого диаметра.

Так, при сварке проволокой диаметром 2 мм с увеличением вылета электрода от 15 до 60 мм при токе 650 А - Δα_р' увеличивается на 18 г/А∙ч ,на токах 450 А – на 13 г/А∙ч.

В то же время, при сварке проволокой диаметром 5 мм на токах от 500 А до 900 А увеличение вылета электрода от 45 до 110 мм приводит к увеличению Δα_р' на (2 - 4) г/А∙ч .

Повышение производительности расплавления электродной проволоки при увеличении вылета электрода объясняется подогревом самого электрода за счет активного сопротивления. Это же приводит к потерям тепловой мощности дуги и ухудшению провара.

Глубина проплавления при сварке под флюсом в общем виде может быть оценена линейной зависимостью

h_пр = k_пр∙ I_св , (0)

где k_пр - коэффициент провара в мм/А ,зависящий от рода тока,

полярности, диаметра электрода, сварочных и свариваемых

материалов.

По данным ИЭС при сварке под флюсами ОСЦ-45 ,АН-348 и ФЦ-9 на переменном и постоянном токе проволоками диаметром 2 мм ≤ d_эл ≥ 5 мм стыковых соединений без разделки кромок с нулевым зазором коэффициент k_пр = 0.01 мм/А, а при сварке стыковых соединений с разделкой кромок, а также угловых швов – 0.012 мм/А ≤ k_пр ≥ 0.02 мм/А. Минимальные значения соответствуют постоянному току прямой полярности, максимальные – обратной, а средние значения – переменному току.

Ширина сварочной ванны линейно связана со сварочным током, напряжением на дуге, скоростью сварки и толщиной свариваемого металла

B_ш ≈ J_св * U_д / V_св*S

Таким образом, ширина одиночного валика при сварке под флюсом пропорциональна силе тока и напряжению на дуге и обратно пропорциональна скорости сварки и толщине свариваемого металла. Зная глубину провара (h_пр) и коэффициент формы шва / или коэффициент формы провара ψ_пр ,который зависит от диаметра электрода ,силы тока и напряжения на дуге можно найти ширину шва

B_ш=ψ_пр*h_пр

Наиболее эффективно на ширину одиночного валика (шва) влияет напряжение на дуге и скорость сварки, причем если первое (U_д) может изменять ширину шва до 1.5 раз, то второе (V_св) расширяет этот диапазон до 2 и немного более раз.

На величину усиления одиночно направленного валика (g) незначительное влияние оказывает сила тока (J_св) и скорость сварки (V_св). При увеличении силы тока g может увеличиваться на несколько миллиметров, а при увеличении скорости сварки от 15 до 60 м/ч при прочих равных параметрах высота усиления уменьшается на 3 – 3.5 мм.

Автоматическая сварка под флюсом деталей толщиной до 14 мм осуществляется без разделки кромок, а свыше с разделкой кромок .Расчет режимов начинается с определения глубины провара :

Для стыковых швов : h_пр=S/2 +(1-3) ,мм ,

где S-толщина металла

Для угловых швов : h_пр=0.7*K ,мм ,

где K≤8 мм – величина катета углового шва.

По величине провара h_пр определяется сварочный ток:

J_св = 1 / K_пр * h_пр .

По величине J_св и h_пр рассчитывают скорость сварки:

V_св = J_св² / ζ * h_пр ,

где ζ – коэффициент пропорциональности, который по данным

Г. А. Бельчука принимается равным 0.22*10⁴ при h_пр< 9 мм

и 0.49 *10⁴ при h_пр ≥ 9 мм.

В приведенных выше формулах принимается h_пр, K, S – в мм; J_св–в А; V_св – в м/ч.

По величине сварочного тока и допускаемой плотности тока определяется диаметр электродной проволоки (таблица 11)

dэл проволоки мм	2	3	4	5	6
j плотность тока А/мм2	65-160	45-90	35-60	30-50	25-45
Jсв Сила тока А	200-500	300-600	400-800	600-1000	800-1200

Напряжение на дуге определяют по силе сварочного тока и диаметру электродной проволоки по формуле:

U_д=(50*J_св*10^-3⁄d_э^0.5 )±1

После проведения расчета, по графикам, приводимым в литературе (Окерблом и др. «Проектирование изготовления сварных конструкций»), уточняют по выбранным d_эл , J_св и U_д величину коэффициента формы шва ψ_пр .Уточненное значение коэффициента формы шва должно находиться в пределах 1.5 <ψ_пр> 5.

Швы конструкционных углеродистых и легированных сталей, у которых ψ_пр находится в указанном диапазоне, защищены от образования в них горячих трещин, т. е. технологическая прочность их гарантирована. Если ψ_пр выходит за рамки указанного диапазона, то производится пересчет d_эл ,J_св, U_д до нужных значений ψ_пр . При этом пересчитываются остальные параметры режима и шва. После уточнения параметров режима делается поправка – уменьшается напряжение при сварке угловых швов, выполняемых наклонным электродом на 2 – 3 В. Затем рассчитывается площадь каждого наплавленного прохода по формуле:

F_H=α_р *J_св/3600ρ*V_св см²

Определенная таким образом площадь наплавки сопоставляется с площадью разделки и расхождения не должны превышать 15-20%. При сварке однопроходных и 2 – проходных швов эта площадь на 15-20% должна превышать площадь разделки и предназначены эти 15-20% на выполнение усиления.

Подготовка кромок при сварке под флюсом производится по ГОСТ 8713-70 «Швы сварных соединений. Автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсом. Основные типы и конструктивные элементы».

Автоматическая сварка под флюсом выполняется только в нижнем положении на режимах, расчет которых приведен выше. Изделие устанавливается горизонтально или под углом не более 8° относительно плоскости горизонта. При сварке на подъем увеличивается глубина провара. При сварке на спуск уменьшается глубина провара, но увеличивается ширина и высота усиления. То же самое происходит при сварке по горизонтально установленной детали при изменении угла наклона электродной проволоки вперед или назад.

Стыковые, угловые и тавровые соединения свариваются на весу или с применением устройств, формирующих обратную сторону шва. В качестве таких устройств применяются медные подкладки, флюсовые подушки, флюсомедные подкладки, керамические подкладки одноразового использования и остающиеся стальные подкладки. Сварку на медной подкладке выполняют на изделиях толщиной 2 – 4 мм при этом зазор между изделием и подкладкой не должен превосходить 0.5 мм. Сварку деталей более 4 мм выполняют на флюсовой подушке.

Сварку угловых и тавровых соединений выполняют при наклоне электродной проволоки к горизонту от 60° до 45°. При наличии кантователей и вращателей, а так же если свариваемая конструкция позволяет, сварку на кантователях и вращателях выполняют в лодочку.

Как уже говорилось выше при сварке под флюсом коэффициент полезного действия процесса составляет 54%. Применение сварочных процессов, в которых задействовано 2 или 3 дуги способствует повышению производительности сварки, но не КПД. Для повышения КПД сварочного процесса под флюсом предложено дополнительно подавать в дугу и хвостовую часть сварочной ванны в виде присадки электронейтральную проволоку, плавление которой осуществляется за счет избыточного тепла сварочного процесса без дополнительных затрат электрической энергии. Применение в качестве электронейтральных присадочных материалов порошковых проволок способствует повышению стойкости против образования горячих трещин и повышению общей производительности расплавления присадочного материала (т. е. материала электродной проволоки плюс материала электронейтральной присадочной проволоки) в 2 – 2.5 раза. Это позволяет поднять коэффициент расхода теплового потока на плавление проволоки с 14% до 25% – 30%, т. е. увеличить коэффициент полезного действия сварки с 54% до 65% – 70%.

Процесс сварки под флюсом может производиться одной или расположенными последовательно несколькими дугами одинаковой полярности, разной полярности, горящих на постоянном токе или постоянном и переменном токах. Для снятия магнитного дутья дуг рекомендуется последний вариант.

Технология сварки под флюсом применяется на нескольких видах свариваемых конструкционных материалов – сталях, меди и сплавов, алюминии и титане. Поэтому существует три вида сварочных флюсов – оксидные, солевые и солеоксидные. Оксидные флюсы состоят из оксидов марганца, кремния и др. и применяются в основном для низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Солевые флюсы – это фтористые и хлористые соли с щелочно – земельными элементами – литием, натрием, барием, калием и др. Они применяются при сварке алюминия, титана. Солеоксидные флюсы применяются при сварке меди и т. д. Проволоки и режимные характеристики приводятся в соответствующих разделах на сварку этих материалов.

Стали подразделяются на низкоуглеродистые с содержанием углерода от 0.05% до 0.25%, среднеуглеродистые с содержанием углерода от 0.26% до 0.45% и высокоуглеродистые с содержанием углерода от 0.46% до 0.90%. В зависимости от содержания легирующих элементов на 3 группы:

1. низколегированные, содержащие в сумме до 2.5% легирующих элементов;

2. среднелегированные, содержащие от 2.5% до 10% легирующих элементов;

3. высоколегированные, содержащие более 10% легирующих элементов;

В атомном энергомашиностроении наиболее широко представлены низкоуглеродистые и низколегированные стали. Для этих сталей применяются флюсы двух типов – плавленые и керамические.

Область горения сварочной дуги называется плавильным или сварочным пространством. При сварке под флюсом в плавильном пространстве происходит расплавление электродного металла, основного металла и флюса. Расплавление электродного металла и пересечение каплями этого дугового промежутка сопровождается интенсивным испарением в плавильное пространство, ограниченное жидкой сварочной ванной, также испаряющейся, и коркой расплавленного флюса, из которого в это пространство поступают пары легкоплавких компонентов флюса и газов. Металл на стадии капли перегрет на 800-1100°С, а на стадии ванны на 200-500°С. Газообразные продукты в плавильном пространстве состоят из продуктов разложения компонентов флюсов .Так в плавильном пространстве при сварке под высококремнистым и высокомарганцевым флюсом ОСЦ-45 газовая фаза под коркой флюса состоит из СО₂ – 1.3% ,СО – 84%, Н₂ – 14%, О₂ – 5*10^-3 % по объему и углеводородов мене 1%. Вся область плавильного пространства может быть разбита на 2 зоны: высокотемпературную и низкотемпературную. Основные элементы металлургических процессов, протекающих в этих зонах, следующие: легирование расплавленного металла; рафинирование жидкого металла, т. е. удаление вредных примесей – серы, фосфора и газов (кислорода, азота, водорода); модифицирование шва – измельчение его первичной структуры.

В высокотемпературной зоне между расплавленными металлом сварочной ванны и электрода, жидким флюсом и газовой фазой протекают окислительно-восстановительные реакции, в результате которых одни элементы из металлической фазы переходят в шлак, а другие из шлака в металл. Эти реакции имеют эндотермический характер и направлены с лева на право:

1.

2.

3.

4.

В этой высокотемпературной зоне в жидком металле идет процесс накопления марганца, кремния и закиси железа. При этом переход кремния и марганца в металл шва зависит от кислотности шлака и его состава. Реакция выгорания карбидного углерода вызывает уменьшение углерода в составе металла шва. На этой стадии, т. е. в высокотемпературной области газовая фаза плавильного пространства насыщается кислородом и водородом вследствие диссоциации влаги в дуге.

В низкотемпературной зоне реакции взаимодействия со шлаком идут в обратную сторону. При температурах близких к температуре кристаллизации марганец и кремний играют роль раскислителей и в виде окислов уходят в шлак. Окисление марганца и кремния при понижении температуры проходят за счет кислорода в жидком металле. В то же время при понижении температуры растворимость FeO в жидком металле снижается, и закись железа выделяется в шлак. Поэтому содержание Mn ,Si , O₂, C в шве не сохраняется на исходном уровне, а вследствие большой быстротечности процесса охлаждения и кристаллизации металла, равновесие в системе шлак-металл не достигается.

Содержание серы и фосфора во флюсах, как правило, в 4-7 раз превосходит содержание этих элементов в сварочных проволоках, для которых они предназначены.

В низкотемпературной зоне протекают металлургические процессы рафинирования жидкого металла. Из-за резкого понижения температуры концентрация кислорода в жидком металле начинает превышать его растворимость и это способствует активному окислению углерода и водорода по реакциям

2[H]+[O]=H₂O

[C]+[O]=CO

Процесс выделения из жидкого металла СО сопровождается образованием пузырьков СО куда диффундируют остальные газы, в том числе и водород, выделяющиеся из жидкого металла. Он протекает в часть жидкой сварочной ванны, расположенной за дугой, и называется кипением ванны.

В высокотемпературной зоне функции, которые могут выполнять керамическими и плавлеными флюсами, одинаковы. Однако после прохождения дуги керамические флюсы обеспечивают более высокое легирование металла шва. Таким образом, главное отличие керамических флюсов от плавленых состоит в том, что при сварке с плавлеными флюсами основное легирование металла шва производится за счет легирования электродных проволок, а при сварке с керамическими флюсами могут использоваться нелегированные или малолегированные сварочные проволоки, а дополнительное легирование шва можно производить через хвостовую часть сварочной ванны посредством керамического флюса.

При сварке под флюсом той или иной марки стали выбор сварочных материалов включает в себя одновременно выбор флюса и проволоки. Наиболее распространенными в атомном энергетическом машиностроении являются низкоуглеродистые и низколегированные стали. Для этих сталей применяют следующие системы флюс-проволока.

Для низкоуглеродистых сталей применяются флюсы плавленые ОСЦ-45, АН-348А, АН-60, суммарное содержание оксидов марганца и кремния в которых превышает 90%, и флюса ФЦ-9, где сумма этих оксидов достигает 78%, а также керамических марок К-1 и К-2 на шлаковой основе FeO-TiO₂-SiO₂-Al₂O₃-CaF₂ и флюсы марок КВС-19, К-10, К-11 на шлаковой основе MnO+SiO₂+CaF₂. Эти флюсы применяются в сочетании с низкоуглеродистыми проволоками Св-08 ,Св-08А и Св-08АА.

При сварке низколегированных сталей содержание углерода в сварном шве не должно превышать 0.15%.Применяются как высококремнистые и высокомарганцовистые флюсы марки АН-348А, так и флюсы с пониженным содержанием оксидов MnO и SiO₂, но повышенным по сравнению с АН-348А содержанием CaF₂ марок АН-15, АН-22, АН-42. Эти флюсы применяются в сочетании с низколегированными проволоками Св-08ГД, Св-1012, Св-08ХМ, Св-08ХМФА и Св-10НМА.

Хорошие результаты получены так же при сварке высокопрочных низколегированных сталей с использованием АН-17 и АН-17М в сочетании с кремнемарганцовистыми и другими легированными проволоками.

Технология сварки под флюсом низкоуглеродистых и низколегированных сталей отличается незначительно. Режимы сварки зависят от конструкции соединения типа шва и техники сварки (таблица 1).

Свойства металла околошовной зоны регулируется как выбором термического цикла, сварки (применение однодуговых, двухдуговых процессов ) так и послесварочной термообработкой.

По сравнению с дуговой сваркой покрытыми электродами при сварке под флюсом уменьшается трудоемкость изготовления сварных конструкций в 2 – 5 раз и в 5 – 10 раз снижается затраты на сварочные материалы и электроэнергию.

По санитарно – гигиеническим показателям сварка под флюсом является одним из самых чистых процессов, т. к. валовые выделения токсичных сварочных аэрозолей при сварке под флюсом в десятки и даже сотни раз меньше, чем при ручной сварке покрытыми электродами.

ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ СВАРКИ

Электрошлаковая сварка – одна из разновидностей сварки плавлением, основанная на выделении тепла при прохождении электрического тока через расплавленный шлак.

Посредством электрошлаковой сварки формируются стыковые, угловые и тавровые соединения постоянного и переменного сечений (рис. 24).

Рис. 24. Основные типы сварных соединений, выполняемых электрошлаковой сваркой: а и б — стыковые; в и д — тавровые; г — угловое; е — переменного сечения

Электрошлаковая сварка осуществляется в зазоре, две противоположные стороны которого являются свариваемыми деталями (2), а две остальные – медными водоохлаждаемыми устройствами (5), плотно прилегающими к свариваемым деталям (рис. 25). В этом пространстве (между кромками и водоохлаждаемыми устройствами) существует шлаковая ванна (3), представляющая собой расплав солей окислов сульфидов и других химических соединений. Температура шлаковой ванны (3) колеблется от 1800° на ее поверхности, достигает более 2000° в центральной части у электрода и незначительно понижается при приближении к поверхности металлической ванны (4) и донной части. При невысоких токах разница температур вызывает естественную конвекцию, которая выражается в возникновении в шлаковой ванне вихревого движения. Вокруг электрода (1) возникают восходящие конвективные потоки расплавленного шлака, которые перед свободной поверхностью поворачиваются от электрода, а затем устремляются вниз, где опять разворачиваются в сторону электрода. При увеличении тока направлением потоков, возникающих возле электрода, начинают управлять пандермоторные силы, вызванные взаимодействием сварочного тока с собственным магнитным полем, и тогда направления вихрей изменяются в противоположную сторону, т. е. в центре вокруг электрода поток расплавленного шлака является нисходящим, а на периферии – восходящим. В целом и в том, и в другом случае поток образует замкнутый вокруг электрода вихрь.

Р ис. 25. Схема процесса электрошлаковой сварки

Электродинамические силы деформируют свободную поверхность металлической ванны, образуя на ней углубление в виде лунок под электродами. При увеличении силы тока глубина лунок увеличивается и одновременно увеличивается глубина сварочной ванны и глубина погружения электрода. Электрические силы вызывают образование потоков в металлической ванне. Потоки перегретого металла, двигаясь вдоль кромок свариваемых деталей, подмывают их. Этим объясняется своеобразная форма проплавления кромок в виде сферических ниш.

Расплавление электрода происходит за счет суммарного тепла шлаковой ванны, разогрева электрода протекающим по нему током и тепла, выделяющегося вследствие того, что электрод по отношению к шлаковой ванне является анодом или катодом и на поверхности раздела электрод – шлак должны протекать тепловые процессы, связанные с прикатодными или прианодными явлениями, такими как возникновение объемных зарядов, работа выхода электрона и т.д. и т.п. Эти явления не подчиняются закону Ома.

Если весь приток тепла обозначать через q, то его составляющие будут тепловые потоки, образующиеся при прохождении тока через электрод и границу раздела электрод – жидкий шлак q₁ и через жидкую шлаковую и металлическую ванну q₂. Так как не совсем ясны механизмы тепловыделения, например, на границе электрод – жидкий шлак и в ряде других случаев, полагают, что q₁ = 5% q, а q₂ = 95% q.

Тепло полученное в процессе электрошлаковой сварки, расходуется на разогрев и плавление электродной проволоки, жидкой шлаковой и металлической ванны и плавление кромок деталей q₃ отвод тепла в ползуны от шлаковой ванны шва и основного металла q₄, отвод тепла по всему контуру шлаковой и жидкой металлической ванны в основной металл q₅ и потери тепла с поверхности жидкой шлаковой ванны, которое поглощается кромками свариваемых деталей q₆. Отдельные тепловые потоки легко определяются калориметрированием (например, q₄) , другие посредством измерения температурного поля в свариваемых деталях (q₅) или измерения радиационного теплообмена (q₆) .

Общая картина расхода теплового потока при электрошлаковой сварке следующая: q₃ ≈ 25%q, q₄ ≈ 10%q, q₅ ≈ 58%q, q₆ ≈ 7%q .

Возбуждение электрошлакового процесса заключается в расплавлении флюса и нагрева образовавшейся шлаковой ванны до рабочей температуры. Существует несколько способов наведения шлаковой ванны. По первому из них в начальный момент применяют флюс электропроводимый в твердом состоянии. При соприкосновении электрода с поверхностью такого флюса он начинает плавиться, образуя шлаковую ванну. Когда шлаковая ванна частично наведена, засыпают флюс, применяемый по данному технологическому процессу. По другому способу тонким электродом наведение шлаковой ванны производят следующим образом. На первой стадии процесса электрод подключают к источнику тока через дополнительное сопротивление, увеличивающее крутизну падающей вольт – амперной характеристики. Скорость подачи тонкой электродной проволоки уменьшают приблизительно в 2 раза, за счет чего сокращается ток, но увеличивается напряжение на дуге горящей под флюсом. Это способствует ускоренному расплавлению флюса на небольшом по протяженности участке шва. После наведения сварочной ванны подачу проволоки увеличивают, а дополнительное сопротивление шунтируют, из-за чего процесс приобретает рабочие параметры.

При электрошлаковой сварке электродами большего сечения шлаковую ванну наводят заранее в отдельном тигеле с помощью неплавящегося электрода, заливают в пространство между свариваемыми кромками, после чего начинают процесс сварки. Необходимо отметить, что начальный участок шва, когда процесс еще не установился, имеет много дефектов, поэтому шов начинается в специальном кармане, приваренном к кромкам свариваемых деталей.

После возбуждения процесса электрошлаковой сварки начинается бездуговое плавление электродной проволоки, стекающей каплями вниз, плавление кромок деталей, контактирующих с разогретым за счет прохождения тока шлаком. Жидкий металл кромок также стекает вниз и вместе с каплями образует жидкую металлическую ванну. При установившемся сварочном процессе скорость сварки, т.е. перемещения головки сварочного автомата вместе с водоохлаждаемым ползуном относительно кромок, скорость плавления, поступающих в сварочную ванну электродов, поддержание уровня поверхности жидкой шлаковой ванны относительно кромки ползуна осуществляется автоматически.

Основными элементами шва являются: ширина сварочного зазора b, ширина шва b_m, глубина шлаковой ванны h_s, глубина металлической сварочной ванны h_m.

Основными параметрами сварочного процесса являются: скорость сварки V_св (скорость перемещения головки автомата относительно кромок ), скорость подачи электродов V_l, сухой вылет электрода L_c (т.е. расстояние от мундштука до поверхности шлаковой ванны ), площадь поперечного сечения электрода (сечение электрода Fe, напряжение сварки (суммарное падение на сухом вылете и в шлаковой ванне)), скорость возвратно поступательного перемещения электрода вдоль зазора V_п, количество плавящихся электродов n и сила сварочного тока J_св. Кроме этого существуют коэффициенты, характеризующие шов, выполненный ЭШС: коэффициент формы металлической ванны ψ, характеризует отношение ширины шва (металлической ванны) h_m , ψ = b_m ⁄ h_m .

Другой коэффициент характеризует долю основного металла в металл шва , определяется по зависимости.

Коэффициент формы металлической ванны при качественном формировании шва может изменяться 0.8 < ψ > 10при средних значениях 1.5 < ψ > 4. При ψ = 0.8 появляются кристаллизационные трещины. При увеличении скорости подачи электродов V_l увеличивается сила тока J_св, растет незначительно ширина шва b_m и значительно глубина ванны h_m, из-за чего при ψ < 0.8 могут появиться кристаллизационные трещины. Глубина шлаковой ванны h_s в нормальных условиях составляет величину 30 – 70 мм. Увеличение глубины шлаковой ванны приводит к незначительному уменьшению ширины металлической ванны. Величина сухого вылета L_с в сварочных процессах составляет 60 – 70 мм. Увеличение вылета приводит к снижению тока, уменьшению ширины и глубины металлической ванны.

Изменение сечения электрода в незначительной степени влияет на параметры металлической ванны.

Изменение сварочного напряжения прямо пропорционально изменяет ширину сварочной ванны. Поэтому при низком напряжении могут возникать непровары по кромкам.

Скорость возвратно-поступательного движения электрода должна соответствовать оптимальной при данных параметрах сварки.

С увеличением количества электродов n возрастает ширина шва и менее значительно глубина металлической ванны.

Увеличение зазора b приводит к увеличению ширины металлической ванны b_m.

При электрошлаковой сварке интенсивность реакций взаимодействия настолько низка, что изменение химического состава флюса в широких пределах вызывает лишь незначительные изменения химического состава металла шва. Поэтому при ЭШС исключается возможность легирования металла шва через флюс. Металл шва в основном легируется за счет применения легированных электродных проволок. Даже при сварке обычных углеродистых сталей применяют электродную проволоку Св – 08ГА или Св – 10Г2 либо пластины из стали 09Г2. Вторым способом легирования металла шва при электрошлаковой сварке является подача в шлаковую ванну крупки ферросплавов или специальной лигатуры. Металл шва можно также легировать специальными присадками в виде порошковой проволоки, пластин или стержней, которые подаются в шлаковую ванну без токоподвода. Возможно, легирование металла шва за счет применения пластинчатых электродов предварительно покрытых ферросплавами.

Согласно ГОСТ 15164-78 тип сварного соединения при ЭШС определяется его поперечным сечением, а вид шва – формой продольного сечения. Существуют стыковые, угловые и тавровые типы сварных соединений (см. рис. 24). Наиболее распространены стыковые соединения, а угловые и тавровые встречаются реже, т. к. техника их выполнения является более сложной. Наиболее распространенными являются прямолинейные швы, выполняемые в вертикальном положении. Кольцевые швы выполняются на цилиндрической, конической и сферической поверхностях (рис. 26).

Р ис. 26. Электрошлаковая сварка кольцевого шва: а — вырезка дефектов в начале сварки; б — замыкание шва;

А — направление вращения изделия; Б — перемещение автомата

Степень готовности собранного соединения под сварку определяется характером обработки торцевых и боковых поверхностей, взаимным расположением свариваемых кромок и прилегающих участков и надежным их раскреплением.

Способ обработки торцевых поверхностей зависит от свариваемого материала, его толщины и требований по точности изготовления конструкции. Для сварки сталей толщиной до 200 мм торцевые поверхности кромок подготавливают газовой резкой, а торцевые поверхности кромок сталей типа 34ХМ, 34ХМ3Н, 25ХН3МФА обрабатывают механически. При толщинах сталей более 200 мм торцевую поверхность кромок обрабатывают только механически.

Различают расчетные и сборочные зазоры. Расчетный зазор представляет собой фиктивную величину, которую учитывают при расчете размеров свариваемых деталей. В действительности изделие собирают с большим так называемым сборочным зазором, учитывающим деформации при сварке соединяемых частей конструкции. Сборочный зазор превышает расчетный от 1 мм при толщине металла 16 – 30 мм до 12 мм при толщине до 2 м.

В большинстве случаев зазор выполняют клиновидным, расширяющимся к верху. Угол раскрытия может составлять величину от 1° до 2°.

При разности толщин свариваемых кромок более 10 мм толстую кромку сострагивают либо на более тонкую устанавливают выравнивающую планку, которую сострагивают после сварки .

Для фиксации соединяемых частей при сборке применяют скобы и планки, привариваемые поперек стыка к свариваемым кромкам на расстояние 500 – 800 мм друг от друга. Скобы устанавливают на стационарных устройствах, а планки со стороны шва, где движется ползун. Планки приваривают односторонним швом, который заканчивается на расстоянии 60 – 80 мм от торцевой поверхности кромки.

Размеры зазоров под сварку собранных соединений в зависимости от толщины свариваемого металла приведены в таблице:

Толщина металла, мм	16-30	30-80	80-500	500-1000	1000-2000
Зазоры, мм: Расчетный Сборочный	20 21	24 26-27	26 28-32	30 36-40	30 40-42

При сварке деталей толщиной до 500 мм используют электродную проволоку диаметром от 2.5 до 5 мм. При этом сварку деталей толщиной до 50 мм ведут одним неподвижным электродом, а более 50 мм – 2-3 электродами.

Скорость сварки устанавливают по толщине свариваемых деталей, а также из соображений повышения точности размеров свариваемого изделия.

Скорость подачи электродных проволок находят по известному соотношению:

V_l=V_св*F_H ⁄ ∑F_l ,

где F_H = S * b – площадь наплавленного металла в шве,

∑F_l – суммарная площадь сечений плавящихся электродов.

Расчетная скорость V_l сопоставляется с величиной допустимой скорости в зависимости от содержания углерода в металле свариваемых деталей. По величине V_l рассчитывается сила тока:

J_св = 2.2 V_l + 90

Скорость возвратно-поступательного перемещения электродов задается в пределах 30 – 90 м ⁄ ч, величина вылета 60 – 70 мм. Диаметр электрода выбирается по расчетному значению силы тока и допустимой для электрошлаковой сварки электродными проволоками плотности тока от 15 до 160 А ⁄ мм².

При толщинах свариваемых деталей до 2 м, образующих прямоугольный шов, в качестве электродов используются пластины толщиной 5 – 12 мм и длиной до 3.5 м. Толщина пластины должна не превышать 1 ⁄ 3 ширины зазора. Ширина пластины определяется толщиной свариваемых деталей, но обычно не превышает 260 мм. Число пластин зависит от ширины шва.

Плотность тока в электродных пластинах колеблется в пределах 0.3 – 2.5 А ⁄ мм² (при токе на каждую пластину 400 – 2500 А).

Скорость сварки особенно больших толщин свариваемых деталей определяется из условий предотвращения горячих трещин. Скорость подачи электродных пластин рассчитывается по формуле:

V_ln = V_св * ∑ F_пл ⁄ F_H - ∑ F_пл

Оптимальная скорость подачи электродов большого сечения составляет 1.2 – 3.5 м ⁄ ч.

Сварочный ток можно определить по следующей формуле:

J_св=1.2(V_св+0.2V_ln)*∂_l*S_l ,

где ∂_l и S_l –толщина и суммарная ширина пластинчатых электродов.

В ряде случаев, особенно при сварке швов сложной конфигурации используют процесс сварки плавящимся мундштуком. Мундштук представляет из себя пластину ,копирующую форму свариваемого стыка, к которой прикреплены направляющие трубки для подачи сварочной проволоки. Толщина мундштука составляет 15 – 25% ширины зазора, направляющие трубки для подачи проволоки диаметром ≈ 3 мм располагаются на расстоянии 30 – 70 мм друг от друга. Мундштук укрепляют в зазоре между свариваемыми деталями неподвижно и изолируют от кромок в течение всего цикла сварки с помощью стеклоткани, наложенной на его поверхность, изоляционных покрытий, керамических скоб, пластин и т. д. В процессе сварки происходит плавление самого мундштука и проволоки, подаваемой по трубкам.

Некоторым недостатком данного способа помимо сложности изготовления и закрепление мундштука в зазоре является необходимость применения источников большой мощности.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ

По применению в промышленности развитых стран этот вид сварки является самым востребованным т.к. объём его применения составляет 45% общего объёма сварочных работ. Эта востребованность обуславливается тем, что, во – первых, технологии сварки (ручные и механизированные) универсальны, т.е. могут применяться во всех пространственных положениях, и в широком диапазоне изменения погонных энергий, во – вторых, обеспечивают высокое качество сварных швов и, в – третьих, достаточно экономичны и производительны.

Защита сварочной ванны, а в ряде случаев и разогретой части шва от взаимодействия с воздухом, обеспечивается инертными или активными по отношению к свариваемому материалу газами. Способы организации этой защиты подразделяются на камерную, струйную и канальную. Камерная газовая защита выполняется в мелких и крупных камерах от 5 ÷ 10 дм³ до 2500 м³. При камерной защите применяются инертные газы. Малые камеры представляют собой небольшие герметичные ящики в стенки, которых установлены герметичные перчатки для рук и горелки для ручной или механизированной сварки. После ввода туда свариваемых изделий камеры герметизируются и продуваются инертным газом, в котором впоследствии производится сварка. Большие камеры объёмом от 12 м³ до 2500 м³ это сложные сооружения, оборудованные шлюзовым помещением для ввода в камеру изделия или человека и системами контроля и регенерации газа с очисткой. Применяются они для сварки сложных конструкций из химически активных материалов, таких как титан, ванадий, ниобий и др. в машиностроении, авиастроении и судостроении.

Струйная газовая защита осуществляется на воздухе струёй защитного газа истекающей из сопла ручной горелки, горелки для полуавтомата или головки сварочного автомата (Рис.1)

Рис.1

Канальная газовая защита осуществляется устройствами обеспечивающими защиту тыльной стороны и лицевой части разогретого до высоких температур шва. (Рис.2)

Рис.2

При ручной сварке эти устройства небольшие, при автоматической идостигают полуметровой длинны и 100 мм в ширину. Канальной газовая защита называется потому, что внутренняя часть этих устройств образует вместе с защищаемой поверхностью канал, по которому движется защитный газ. Канальная и камерная газовые защиты применяются ограниченно, только при сварке химически активных в нагретом состоянии материалов. Струйная газовая защита применяется на всех свариваемых в защитных газах материалах. Поэтому рассмотрим только её.

Поток газа вытекающий из отверстия в стенке трубы круглой, плоской, квадратной или иной формы в пространство затопленное покоящимся газом называется затопленной струёй. Движение реальных газов может происходить только при двух режимах ламинарном и турбулентном. Строение всех струй одинаково, они состоят из начального и основного участков.

Рис.3 Схема движения защитных струй, истекающих при низких и высоких числах Рейнольдса из горелок с цилиндрическими а) и конфузорными б) соплами.

В центре начального участка находится ядро (1) вокруг которого формируется, постепенно увеличиваясь в толщину, пограничный слой края струи (2). Когда ядро заканчивается, а пограничный слой смыкается, начинается основной участок струи (3). Классификация струи осуществляется по режиму движения на основном участке. Хорошо известно, что ламинарное движение на основном участке затопленных струй возможно до чисел Рейнольдса (в дальнейшем R_e) порядка 30, а при больших оно переходит в турбулентное. Защитные струи, применяемые при сварке, работают в диапазоне чисел R_e , R_e ›700 и поэтому могут относиться только к турбулентным затопленным струям. В ядре струи концентрация газа остаётся неизменной и соответствующей концентрации газа поступающего в горелку, т.е. исходной концентрации. В пограничном слое края струи состав изменяется от концентрации газа ядра на границе с последним до концентрации воздуха на границе с воздухом. Концентрация газа основного участка струи – это смесь, состоящая из газа, поступающего в ядро струи и воздуха, при этом на оси струи в начале основного участка концентрация газа приближается по составу к газу ядра, а по мере удаления от ядра концентрация воздуха увеличивается. Учитывая современные требования к качеству газовой защиты можно утверждать, что функции газовой защиты может выполнять только ядро, находящееся в начальном участке турбулентной затопленной струи. Таким образом, защитной струёй называется начальный участок турбулентной затопленной струи, по оси которого располагается неплавящийся электрод или мундштук с наконечником для плавящегося электрода.

Размеры ядра струи зависят от аэродинамического качества потока на срезе сопла, из которого истекает струя и режима движения пограничного слоя струи. Это определяется однородностью поля скоростей R и степенью турбулентности на срезе сопла и рядом других факторов зависящих от конструкции проточной части горелки. Под проточной частью понимается совокупность деталей формирующих поток защитного газа в горелке, от момента входа в сопло до среза сопла на выходе потока из горелки.

Существует два принципиально разных типа защитных струй. Первый тип струй вытекает из горелок с цилиндрическим соплом и может обеспечивать эффективную газовую защиту только при низких числах R_e, рассчитанных по диаметру сопла R_e= U*Д/V , где U – скорость истечения струи на срезе сопла. Д- диаметр выходного отверстия сопла. V – кинематический коэффициент вязкости.

У таких струй при низких числах R_e пограничный слой края струи является продолжением ламинарного пограничного слоя движущегося по стенам сопла, из которого вытекает струя. По мере увеличения чисел R_e режим движения в пограничном слое края струи постепенно из ламинарного переходит в турбулентный (рис. 3а).

При этом сокращается не только длина пограничного слоя с ламинарным движением, но и длина всего начального участка с ядром струи (см. рис. 3а). При некоторых числах R_e ядро заканчивается прямо у среза сопла, из-за чего нарушается газовая защита. Числа R_e при которых струя теряет эффективность газовой защиты называются критическими. Таким образом, у этих горелок из-за ограничения расхода защитного газа теряется ряд технологических функций. Во – первых они не способны противостоять ветровым нагрузкам, т.е. не способны выполнять сварку на открытых площадках, где существуют сносящие воздушные потоки. Длина ядра у подобных струй при низких числах R_e достигает 8 – 10 диаметров выходного отверстия сопла, из которого она вытекает (см. рис. 3а). У струй вытекающих из горелок оборудованных сетками, за которыми располагается конфузорное сопло с образующей построенной по плавной параболической кривой, концы которой асимптотически стремятся к прямым параллельным оси сопла, пограничный слой в начальном участке при низких числах R_e так же ламинарен ( см. рис.3б). Однако у этих струй длина ядра при низких числах R_e составляет всего 5 – 5,5 диаметра выходного отверстия сопла. По мере увеличения чисел R_e как и в предыдущем случае, в пограничном слое края струи происходит перестройка течения и ламинарный режим в пограничном слое уступает место турбулентному (см. рис. 3б). Однако длина ядра при этом остаётся неизменной даже тогда, когда турбулентный пограничный слой начинается от кромок среза сопла. Это свойство струй вылетающих из горелок с конфузионными соплами делает их ветроустойчивыми и позволяет обеспечивать эффективную газовую защиту в глубоких узких разделках.

Говоря о режимах движения реальных газов, ламинарном и турбулентном, на что обращается внимание, является интенсивность протекания в них процессов обмена. Под обменом в движущихся газовых средах понимается, в данном случае, интенсивность переноса в направлении нормальном к основному движению (перпендикулярном) количества движения которое характеризуется коэффициентами вязкости, количества тепла характеризующегося коэффициентами теплопроводности и массы примесей (например, воздуха в защитных газах) характеризующегося коэффициентом диффузии. Не прибегая к математическому аппарату, который широко представлен в литературе, остановимся на физической сущности явлений обмена.

Согласно молекулярно – кинетической теории носителями физических свойств покоящихся газов являются молекулы и атомы, которые, хаотически перемещаясь, выравнивают физические поля в неподвижных газовых объёмах. При ламинарном движении носителями свойств среды так же являются молекулы и атомы из-за чего интенсивность процессов обмена протекает на уровне молекулярно-кинетической теории покоящихся газов, т.е. процесс переноса, например, массы примеси в направлении нормальном к основному движению протекает весьма медленно и ламинарный пограничный слой края струи непрозрачен для воздуха в пределах всего начального участка.

По мере нарастания скорости в движущемся газе увеличивается напряжённое состояние, из-за чего в нём начинают возникать моли, хаотически перемещающиеся в виде отдельных сгустков, одиночных вихрей и т.д. Эти моли, возникнув в определённых точках пространства, впитывают в себя свойства среды этих точек, они хаотически перемещаются, не встречая сопротивления со стороны атомов и молекул потока, и разрушаются после столкновения с молем аналогичным себе. Физические свойства среды, схваченные молем в точке возникновения, переносятся в точку разрушения. Количество возникающих и разрушающихся молей по мере увеличения напряжённости в потоке начинает возрастать и при достижении их критического количества на единицу объёма режим движения из ламинарного переходит в турбулентный скачкообразно.

Длина свободного пробега молекул и атомов в газах при ламинарном движении измеряется ангстремами, т.е. единицами длины равными 10^-10 м. Акты взаимодействия отдельных молекул и атомов (упругие и неупругие столкновения) невозможно измерить существующими приборами. В то же время размеры самих молей колеблются в очень широких пределах от величин сопоставимых в пределах одного порядка с размерами молекул и атомов до величин соизмеримых с десятками метров(порывы ветра- это и есть прохождение турбулентных молей в общем потоке ветра). Именно поэтому акты взаимодействия отдельных молей легко фиксируются современными приборами.

Размеры молей, с которыми приходится сталкиваться в процессе газовой защиты, изменяются от размеров сопоставимых с молекулярными атомами до размеров, на несколько порядков превосходящих размеры молекул и атомов. И поэтому интенсивность прохождения процессов объёма при переходе режима движения от ламинарного к турбулентному соответственно повышает протекание интенсивности обмена в газовой движущейся среде на несколько порядков. В качестве примера можно указать на визуальную фиксацию размеров зоны газовой защиты.

Если установить горелку нормально к пластине титана или нержавеющей стали, включить подачу аргона, зажечь на некоторое время и затем погасить дугу не выключая подачу аргона до охлаждения пластины соответствующего комнатной температуре, то на пластине мы увидим следующее (рис. 4)

Рис. 4

Непосредственно под электродом расплавленный металл в форме круга имеющий белую серебристую поверхность. За расплавленным – нерасплавленный металл с белой серебристой поверхностью ограниченной кромкой цветов побежалости в виде окружности. В пределах этой кромки происходит изменение цветов побежалости от соломенного, затем коричневого, фиолетового, синего, серого очень быстро в пределах нескольких миллиметров. Физически картина развивается следующим образом: центральная часть с металлом (расплавленным и нерасплавленным) омывается газом ядра струи и поэтому не имеет цветов побежалости. На небольшом расстоянии от центра поверхности расплавленного……….. в радиальном направлении начинает двигаться ламинарный пограничный слой, состоящий из газа ядер. Этот пограничный слой быстро теряет устойчивость и на поверхности пластины начинает двигаться турбулентный пограничный слой питающийся газом пограничного слоя края струи. Полоса цветов побежалости вокруг серебристого белого пятна и является линией отрыва ламинарного пограничного слоя турбулентный. По цвету побежалости можно характеризовать количество кислорода поступающего на разогретую поверхность. Видно, что нарастание кислорода очень интенсивно и на очень коротком участке. Это иллюстрирует интенсивность нарастания обмена при переходе ламинарного движения в турбулентное.

При натекании защитной струи (т.е. начального участка турбулентной затопленной струи) на твердую поверхность, картина её движения деформируется и переходит в движение пристеночной веерной (радиальной) струи распространяющейся

по защищаемой поверхности. (Рис. 5).

Рис. 5 Удар.

В центре струи на защищаемой поверхности образуется критическая точка, скорость струи в которой обращается U=0, а статическое давление, согласно уравнению Бертули, возрастает на величину динамического напора, т.е. pu²/2, где ρ – плотность газа ядра, а u – скорость струи на срезе сопла. Возрастание давления на оси струи начинается на расстоянии 0.5D (D – диаметр сопла струи) от защищаемой поверхности. Это является причиной деформации картины движения. По поверхности электрода, находящегося в центре ядра струи, движется ламинарный пограничный слой (см. рис. 5), который попадая в область возрастающего давления над критической точкой отрывается от поверхности электрода, образуя тороидальный вихрь (в дальнейшем ТВ) окружающий дугу (см. рис. 5). В отличии от ядра струи, состав газа которого всё время изменяется( из сопла подходит новый газ), состав газа ТВ изменяется очень незначительно и вследствие этого ТВ аккумулирует тепловую энергию поступающую в него от омываемой им поверхности сварочной ванны, дуги и неплавящегося электрода. С увеличением температуры увеличиваются размеры ТВ и одновременно с этим размеры ядра струи в зоне ТВ.

По защищаемой поверхности от внешних границ ТВ в радиальном направлении движется пристеночный ламинарный пограничный слой. Движение этого ламинарного пограничного слоя неустойчиво и на некотором расстоянии от границ ТВ он превращается в пристеночный турбулентный пограничный слой. В районе перехода к защищаемой поверхности близко подходит граница ядра струи, пристеночный турбулентный пограничный слой интенсивно набирает толщину и сливается с течением пограничного слоя края струи (см.рис. 5). Как уже говорилось, пограничный слой края струи состоит из защитного газа и воздуха. Поэтому в точку отрыва ламинарного пограничного слоя и перехода его в пристеночный турбулентный начинает поступать смесь защитного газа с воздухом. Эта смесь реагирует с разогретой поверхностью металла, образует на ней цвета побежалости, ограничивающие поверхность чистого металла, по которой движется газ ядра. Таким образом, поверхность чистого серебристого металла, включающая в себя сварочную ванну, ограниченная линией, за которой располагается поверхность металла, покрытая цветами побежалости, называется зоной газовой защиты. Зона газовой защиты хорошо визуально наблюдается на таких материалах как титан, нержавеющая сталь и т.д. Эффективность газовой защиты на любой горелке характеризуется тремя величинами – размером зоны газовой защиты, величиной вылета электрода, при котором может обеспечиваться газовая защита и ветроустойчивостью защитной струи.

Размеры зоны газовой защиты каждой горелки прежде всего зависят от её конструкции. Чем выше аэродинамическое качество проточной части горелки, тем больше размеры зоны газовой защиты. Наиболее высоким аэродинамическим качеством у горелок, работающих в диапазоне струй с ламинарным пограничным слоем обладают горелки, проточная часть которых состоит из сеток расположенных перед входом газа в сопло, сопел выполненных в виде цилиндров с гладкими стенками длинной 2 – 5 диаметров выходного отверстия сопла или конфузоров, образующая которых построена по плавной параболической кривой, начало и конец которой асимптотически приближаются к прямым, параллельным оси сопла. Сопла, внутренняя поверхность которых выполнена по таким кривым называются конфузорами двухасимптотными. Длина такого сопла должна составлять 2,25 – 2,5 диаметра выходного отверстия сопла.

Закономерности изменения размеров зоны газовой защиты, в зависимости от вылета электрода, на горелках с высоким аэродинамическим качеством проточной части представлены на рис. 6.

_D3/D

Как видно на рис. 6, при нулевом зазоре между защищаемой поверхностью и срезом сопла горелки, размеры зоны газовой защиты теоретически и практически могут соответствовать только размерам выходного отверстия сопла. При удалении от защищаемой поверхности D₃ (D₃ – диаметр зоны газовой защиты) начинает увеличиваться и при H/D = 0.5 (H – вылет электрода, D – диаметр выходного отверстия сопла горелки) наблюдается максимальная величина зоны газовой защиты. У горелок с маленьким диаметром выходного отверстия сопла D=8 – 12 мм, величина зоны в безразмерном выражении достигает значений 2,4. У горелок с диаметром выходных отверстий сопла 18 < D < 22 эта величина соответствует 2,15. Далее по мере увеличения вылета электрода размеры зоны газовой защиты уменьшаются и наконец, при вылетах электрода незначительно превышающих 5D защита полностью пропадает.

С повышенными вылетами электрода связаны такие технологические операции, как сварка в труднодоступных местах. Из рис. 6 видно, что даже при вылетах электрода до 4,5 D_c возможно кратковременное зажигание дуги без нарушения эффективности газовой защиты. Однако при реальной сварке вылеты электрода из-за разогрева его поверхности ограничены следующими значениями: при сварке плоских узлов до 2D, при сварке в острый угол с величиной раскрытия 25⁰ ≤ α ≤ 35⁰ до 3,2D.

Технологические возможности сварки в цеху при наличии сквозняков или на открытых площадках на ветру обеспечиваются только горелками, проточная часть которых оборудована сетками, за которыми установлено конфузорное двухасимптотное сопло. Способность такой струи противостоять ветровым нагрузкам появляется по мере превосходства скорости истечения струи над скоростью ветра. Однако и у струй, истекающих из конфузорных сопел, при низких числах R_e имеет место перестройка течения на начальном участке, которая выражается в наличии этапа повышенной протяжённости защитной струи с последующим переходом кривой графика в прямую параллельную оси R_e (рис. 7)

Рис. 7

Участок графика с прямой параллельной оси R_e характеризует автомодельное движение защитной струи, т.е. такое движение при котором картина течения не зависит от чисел R_e. Именно при автомодельном движении струи легко осуществлять сварку в условиях переменных ветровых нагрузок (постоянной скорости ветра в реальных условиях не бывает), компенсируя расходам струи изменяющуюся скорость ветра. Судя по графику (рис. 7) участок ветроустойчивости защитных струй начинается с чисел R_e = 7000 (рис. 7).

Приведённые выше зависимости и максимальные критерии, получены на горелках оборудованных соплами с высоким аэродинамическим качеством проточной части. У подавляющего большинства существующих горелок аэродинамическое качество проточной части значительно ниже и для количественной оценки их технологических возможностей по отношению к совершенным горелкам был предложен метод экспериментального определения коэффициента их эффективности. Подробное описание определения коэффициента эффективности газовой защиты у горелок приводится в методических указаниях к лабораторной работе « Определение эффективности газовой защиты горелок».

Защитные газы могут быть инертными, т.е. не вступающими в реакцию со свариваемым металлом, или активными, т.е. вступающими в реакцию с металлами в процессе сварки. К инертным относятся Ar, He. К активным относятся СО₂, О₂, N₂ и т.д.

Инертные газы – Ar, Не применяются при всех видах сварки плавлением металлов, имеющих большое химическое сродство к кислороду, азоту и водороду, таких как титан, цирконий, ванадий, молибден и алюминий. Сварку активных металлов /Ti-Мо/ производит так же в смесях Ar – Не. Наи­более эффективной является смесь, состоящая из 35% Hе и 65% Ar. Она сочетает в себе глубокое проплавление с хорошим формированием поверх­ности шва. При сварке легированных сталей неплавящимся электродом применяются так же чистые Ar и Не или их смеси. В том числе сварка легированных сталей плавящимся электродом в чистых Ar и Hе протекает с образованием пор в швах. Поэтому при сварке плавящимся электродом сталей применяют­ся только смеси Ar и Не кислородом и С0₂. Сварка в азотно – аргонных смесях существенно увеличивает глубину провара и тепловложения в сварочную ванну. Азот по отношению к меди является инертным газом и поэтому сварку меди и медных сплавов – латуней, бронзы производят в смеси Ar с N₂. C металлургической точки зрения можно полагать, что сварка в чистых инертных газах и их смесях практически представляет собой простые переплавы электродного и основ­ного металла без окислительных и восстановительных реакций. Химический состав шва в этом случае изменяется по отношению к присадочному и основному материалам только за счет некоторого испарения элементов.

При сварке в защитных газах применяются плавящиеся и неплавящиеся электроды. Сварка неплавящимся электродом произ­водится на всех свариваемых материалах – активных /Ti – Мо/, цветных /Al – Сu/ и сталях, от низкоуглеродистых до высоколегированных. При свар­ке неплавящимся электродом применяются только чистые т.е. высших сортов и категорий инертные газы Ar и Не и иногда из смеси с N₂. В качестве неплавящегося электрода применяются прутки керамического вольфрама, поставляемые по ГОСТ 23949 – 80 «Электроды вольфрамовые, сварочные, неплавящиеся. Технические условия". Марки вольфрамовых электродов, поставляемых промышленностью следующие: прутки из чистого вольфрама, марка ВЧ; прутки из вольфрама с добавкой окислов тория / 1,0-2,5% ThO₂ марка ЭВТ-15; с добавкой окислов лантана La₂O₃ марка ЭВЛ-10 и с добавкой окислов иттрия Y₂O₃ марка ЭВИ.

Сварка неплавящимся вольфрамовым электродом может производиться на биполярном переменном токе или униполярном переменном /импульсном/ и постоянном токе прямой полярности.

Сварка плавящимся электродом в среде защитных газов реализуется только при механизированных процессах – автоматической и полуавтоматической сварке. Сварка в защитных газах плавящимся электродом характеризуется большим разнообразием форм переноса металла с электрода на изделие. Основные виды переноса при сварке стационарной дугой начинаются с крупнокапельного переноса с короткими замыканиями. Этот вид переноса наблюдается во всех защитных газах/инертных и активных/ у сварочных проволок диаметром от 0,8 до 1,6 мм для всех свариваемых материалов. Наиболее характерные режимы дуги, при которых протекает процесс крупнокапельного переноса с короткими за­мыканиями, соответствует сопротивлению дугового промежутка от 0,13 до 0,22 Ома. Процесс протекает следующим образом. Крупная капля образуется на электроде постепенно и долго удерживается на нем. Если капля больше длины разрядного промежутка, то переход ее в ванну сопровождается замы­канием плавящегося электрода с ванной через каплю, происходит гашение дуги, после чего взрывается жидкая перемычка между плавящимся электро­дом и каплей и возобновляется процесс горения дуги. Если капля меньше дугового промежутка, то переход ее в сварочную ванну происходит без короткого замыкания. Так как на токах, при которых протекают процессы крупнокапельного переноса, большое значение при полете капли имеют грави­тационные силы, то эти процессы в основном применимы при сварке в ниж­нем положении. Крупнокапельным называется перенос, в котором размер ка­пель в полтора раза превышает диаметр электрода. При увеличении силы тока размер капель сокращается однако, при сварке сталей в СО₂ разбрызгивание металла остается достаточно высоким, особенно при применении ржавых проволок. Дальнейшее увеличение тока при сварке стационарной дугой в аргоне и смесях аргона с СО₂ и 0₂, сопровождается среднекапельным и струйным переносом, при которых брызги практически отсутствуют. Силу тока, при которой начинается струйный перенос, назы­вают критической. При сварке в С0₂ незначительное разбрызгивание можно получить при среднекапельном переносе порошковой проволокой рутилового типа. Струйный процесс в углекислом газе без разбрызгивания электродного металла можно получить при использовании проволок активированных цезием, рубидием, калием, барием и некоторыми другими элементами.

Характерно, что струйные процессы переноса при сварке стационарной дугой протекают на проволоках, диаметрам 2 мм и более.

При сварке нестационарной дугой можно принудительно, независимо от силы тока и напряжения сварки, задавать желаемый вид переноса электрод­ного металла, что позволяет расширить диапазон режимов и технологичес­кие возможности сварки в защитных газах плавящимся электродом.

Капельный перенос может протекать при импульсно дуговой сварке в инертных газах, и смесях аргона с кислородом и углекислым газом. Образо­вание капли на электроде и сброс ее соосно электроду достигается за счет импульсного повышения силы тока. Принудительный сброс капли с электрода в данном случае возможен во всех пространственных положе­ниях т.к. условиями ее отрыва и направлением полета управляют не гравитационные силы, как при сварке стационарной дугой, а электродинамические, вызванные приложением импульса тока.

Процессы импульсной сварки ……….... процессы сварки на постоянном токе по производительности наплавки. В то же время из-за существенно увеличивающегося с частотой следования импульсов хаотичного ………….. дуги. При импульсной сварке возрастает пространственная устойчивость дуги , т.е. способность дуги сохранить направление электродной проволоки не отклоняясь под действием сил, вызванных….

В чистом С0₂ импульсная сварка применяется на сталях. В то же время в Ar и бинарных смесях Ar с С0₂ или 0₂ применение импульсной сварки на сталях позволяет не только существенно улучшить характер переноса электродного металла, но так же в 2 – 2,5 раза уменьшить значения критического тока и су­щественно повысить пространственную устойчивость столба дуги, что зна­чительно упрощает проведение сварки во всех пространственных положе­ниях.

Технологии механизированной /полуавтоматической и автоматической/ сварки плавящимся электродом в защитных газах разработаны для всех свариваемых материалов.

Разделку кромок для сварки в защитных газах выполняют по ГОСТ 14771 – 76. Для сварки металла больших толщин прово­локами большого диаметра подготовку кромок могут выполнять по ГОСТ 8713 – 70 или техническим условиям, разработанным для сварки в среде защитных газов.

Допускаемые плотности тока в электроде при сварке в защитных газах аналогичных тем, которые применяются при сварке под плюсом. Они были приведены ранее (см. табл. № ). Поэтому выбор диаметра электрода осуществляется по выбранному току к рекомендуемой плотности тока. Сварка плавящимся электродом в основном производится на обратной полярности т.к. на прямой ухудшается провар.

Сварка во всех пространственных положениях может производиться как стационарной дугой, так и импульсной. Однако импульсная дуга предпочтительнее при сварке малых толщин и при свар­ке в пространственных положениях отличных от нижнего.

Рациональность применения импульсных дуг при малых толщинах объясняется тем, что у импульсных дуг при более низких, чем у стационарных режимных параметрах, развиваются устойчивые процессы переноса, а тепловложения и производительность расплавления у импульсных дуг ниже, чем у стационарных при прочих одинаковых средних парамет­рах.

Применение импульсной дуги при сварке в пространственных положениях более целесообразно, т.к. импульсная дута по сравнению со ста­ционарной имеет более высокую пространственную устойчивость столба дуги; т.е. ось дуги более жестко отслеживает соостность с электродом Область режимов, рекомендуемых при сварке в защитных газах представлена на рис. 9.

Рис. 9 График вольтамперных характеристик сварочных режимов.

Как видно на рис. 9 область режимов, характеризующая устойчивое горение дуги, ограничена двумя кривыми. За пределами кривых располагаются режимы с неустойчивым горением дугового процесса.

Кроме способов сварки, рассматриваемых ранее (ручных и механизированных) при сварке в защитных газах применяются процессы сварки погруженной дугой и сварки по узким щелевым зазорам. При сварке погруженной дугой (рис. 10) дуга погружается в свариваемую деталь таким образом, что токопроводящий конец неплавящегося электрода располагается ниже поверхности детали. При сварке по щелевому зазору (рис. 11) глубина щели составляет толщину свариваемых деталей.

Сварка в среде активных защитных газов плавящимся электродом соп­ровождается выделением в окружающую среду токсичных сварочных аэрозолей. Самой экологичной является сварка неплавящимся электродом /вольфрамом/ в струе инертного газа – аргона, гелия. При этой сварке аэрозолей выделяется в пределах ПДК, но в окружающем воздухе под воздействием радиационного излучения образуется азон в количествах превы­шающих 4 ПДК . Азон не стоек и распадается в течение 40 – 60 мин. Для удаления токсичных аэрозолей разработаны горелки, оборудованные пылегазоприёмниками, расположенные снаружи газозащитного сопла коаксиально последнему. Применение этих горелок в 2 – 3 раза снижает концентрацию токсичных аэрозолей в зоне дыхания сварщика. На рис. 8 представлены фотографии процесса полуавтоматической сварки в CO₂. Видно, что когда пылегазоприёмник не работает, образующиеся при сварке аэрозоли распространяются по свариваемой поверхности в виде светящегося факела (см. рис. 8а). Когда пылегазоприёмник работает, факел аэрозолей затягивается в него (см. рис. 8б).

Рис. 8 Факел аэрозолей при газоэлектрической сварке: а- без вытяжного устройства, б- при работе вытяжного устройства, 1- горелка с пылегазоприёмником, 2- факел аэрозолей

Режимные параметры и технологические особенности процессов приводятся далее в разделах технологии сварки

конкретных материалов.

СВАРКА НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

К низкоуглеродистым сталям относятся сплавы железа с углеродом, содержание которого по массе составляет до 0,25 % типа:

Ст 2 кп, Ст 2 пс и Ст2 сп, 10, 20, 20Г, 22К, Ст3С.

К низкоуглеродистым низколегированным относятся сплавы железа с углеродом, с содержанием легирующих элементов по массе не более 4% типа:

09 Г2, 16 ГС, 10Г2С1, 10Г2С1Д, 14ХГС, 15ХСНД и др.

Низкоуглеродистые стали обыкновенного качества поставляются без термообработки в горячекатаном состоянии. Стали с повышенным содержанием марганца (15 Г) и легирующих элементов поставляются после термообработки, нормализации или закалки с отпуском.

Формы и объем сварочной ванны образующейся после зажигания дуги зависят от способа сварки, основных параметров режима, толщины свариваемого металла и типа сварного соединения. Этим определяется неодинаковое время существования расплавленного металла, особенности кристаллизации сварочной ванны и строения зоны основного металла прилегающего к шву – зоны термовлияния.

Рост кристаллов затвердевающего металла начинается от границы сплавления вглубь сварочной ванны. Ликвация в сварном шве зависит от его химического состава, формы ванны и скорости кристаллизации. Вблизи границы сплавления ликвация проявляется в виде слоистой неоднородности. Образовавшиеся в затвердевшем металле шва столбчатые дендриды имеют аустенитную микроструктуру в которой по мере охлаждения металла и аллотропического превращения начинается процесс перестройки кристаллов пространственной решетки. В результате этого часть аустенита распадается и превращается в феррит. Выделяющийся при этом углерод (его растворимость в феррите меньше, чем в аустените) вступает в соединение с железом, образуя цементит. Смесь феррита с цементитом образует перлит, что улучшает механические свойства сварного шва. В определенных условиях протекания сварного процесса может возникнуть видманшеттова структура снижающая механические свойства материала шва.

Теплота сварочного процесса распространяющаяся в основной металл приводит к фазовым и структурным превращениям в зоне термического влияния. На рис.1 показано поперечное сечение сварного соединения при однопроходной сварке низкоуглеродистой стали. Кривая над поперечным сечением характеризует распределение температур на поверхности соединения в момент начала первичной кристаллизации сварочной ванны. Граница сплавления шва с основным металлом, как правило не превышающая 0,5 мм, особое место, где нерасплавившиеся зерна основного металла являются основанием кристаллизации металла и твердость этой зоны всегда превосходит твердость и основного металла и металла шва, а свойства материала этой границы оказывают решающее влияние на свойства сварного соединения. На участке перегрева выше 1100°С (участок неполного расплавления и участок перегрева) металл переходит в состояние аустенита. При этом образуется крупнозернистые структуры способные после охлаждения превратиться в видманшеттовы структуры.

Рис.1.

Металл нагретый незначительно выше Асз (см. рис.1) распологающийся на участке нормализации имеет мелкозернистую структуру и высокие механические свойства. Металл с температурой Асı < Т< Асз (участок неполной перекристаллизации) харктеризуетсянеизменным ферритным зерном и измельчением перлитных участков. Металл на участке рекристаллизации 500°С < Т< Асı по структуре незначительно отличается от основного, но при значительном времени пребывания в этом диапазоне температур может существенно увеличиться зерно, из-за чего снизятся его механические свойства.

Таким образом, состояние металла шва и околошовной зоны в конечном итоге и после сварки определяется максимальными температурами термического цикла сварки, скоростью их охлаждения, количества углерода и легирующих элементов, которые способствуют образованию, как зональных структур, так и мелкозернистых или крупнозернистых структур. Поэтому в каждом конкретном случае технология сварки должна управлять процессами изменения термического циклов различных зонах за счет использования следующих приемов. Сварка короткими и длинными участками многопроходных швов позволяет изменять время пребывания шва и зоны термовлияния в зоне определенных температур и способствует своеобразному отпуску. Сварка источниками различной интенсивности – газовое пламя при газовой сварке, выделение тепла в расплавленном шлаке при электрошлаковой сварке, электрическая дуга при сварке под флюсом и в защитных газах, электронный луч и лазер создают широкий диапазон интенсивности ввода тепла в сварное соединение. Низкая интенсивность ввода тепла (газовое пламя, электрошлаковая сварка) способствует крупнозернистому строению металла шва и повышенной протяженности зоны термического влияния. В то же время у источников с повышенной интенсивностью ввода тепла (электронный луч, лазер) относительные размеры зоны термовлияния существенно сокращаются и коэффициент формы шва b ⁄ h (где b – ширина шва, h – глубина проплавления) может достигать величин порядка 20 и более. При этом металл шва в околошовной зоне не претерпевает существенных изменений оставаясь мелкозернистым.

При средней интенсивности ввода тепла (дуговые процессы) приходится прибегать к приемам уменьшающим скорость охлаждения сварного соединения. Это позволяет избегать закалочных и видманшеттовых структур. Изменением режимных характеристик сварки (Jcв, Uсв, Vсв) регулируют величину разупрочнения зоны термовлияния при сварке термически обработанных низколегированных сталей.

Однако прибегать к этим приемам следует крайне осмотрительно. Например, при выборе температуры подогрева следует учитывать, что недостаточный подогрев повышает количество мартенсита в структуре металла околошовной зоны и способствует появлению холодных трещин, а перегрев снижает пластичность и ударную вязкость стали, вследствие чрезмерного роста зерна аустенита.

Низкоуглеродистые и низколегированные стали хорошо свариваются практически всеми способами сварки плавлением.

При газовой сварке низкоуглеродистых и низкоуглеродистых низколегированных сталей применение флюсов не требуется. В качестве присадочного материала используются проволоки марок Св-08, Св-08А, Св-08ГС, Св-12ГС и Св-08Г2С. Металл шва содержит азот, а наличие водорода и СО может привести к пористости. Поэтому присадочный материал необходимо применять с пониженным углеродом.

Сварка покрытыми электродами швов на низкоуглеродистых и низкоуглеродистых низколегированнных сталях толщиной 10-12 мм не требует предварительного подогрева. При сварке термоупрочняемых сталей рекомендуются режимы с малой погонной энергией и сварка длинными швами по охлажденным предыдущим швам. Это сокращает протяженность области разупрочнения в зоне термического влияния. При толщинах, начиная от 16 мм и более в зависимости от легирования материала, следует просчитывать температуры подогрева. На практике наиболее распространены формулы, предложенные позволяющие по эквиваленту углерода, толщине стали и содержанию водорода в металле шва рассчитать температуры подогрева превышающие температуры начала мартенситного превращения в зоне термовлияния. Расчет ведется по показателю склонности сталей к образованию холодных трещин Рс, который определяется по формуле:

,

где – химический эквивалент углерода

- размерный эквивалент углерода

Н – содержание диффузионного водорода в см³/100 г наплавленного металла

Температура предварительного подогрева рассчитывается по формуле:

Тп = 1440 Рс – 392 °С

Автоматическую сварку под флюсом низкоуглеродистых и низкоуглеродистых низколегированных сталей выполняют электродной проволокой диаметром 3 – 5 мм. При сварке низкоуглеродистых сталей в основном применяют флюсы марок АН-348 А и ОСЦ-45 и низкоуглеродистые проволоки марок Св-08 и Св-08А, реже (при сварке ответственных конструкций и т.д.) проволоку Св-08 ГА.

При сварке низкоуглеродистых низколегированных сталей используют те же флюсы в сочетании с проволоками Св-08 ГА, Св-10ГА, Св-10 Г2. Подогрев, как и в предыдущем случае применяется при толщинах стали более 12÷15 мм. На термоупрочняемых сталях следует применять режимы с малой погонной энергией, на нетермоупрочняемых- наоборот, с повышенной. Свойства сварных соединений на этих сталях в зависимости от условий сварки изменяются в широких пределах.

При дуговой сварке в защитных газах применяются СО2 для сварки плавящимся электродом, а так же смеси СО2 с Ar в сочетаниях Ar + 15%CO2 и Ar + 20%CO2. В качестве электрода применяются такие марки проволок как Св- 08 ГС, Св- 12 ГС, Св- 08 Г2С. Этими проволоками хорошо свариваются как низкоуглеродистые спокойные стали марок Ст 1сп, Ст 2сп, так и такие низкоуглеродистые стали как 10 ХСНД, 15 ХСНД, 14 ХГС, 09 Г2. После сварки в СО2 и смесях 85% Ar + 15%CO2, 80% Ar + 20% CO2 они не требуют термообработки. Для повышения коррозионной стойкости сварных соединений из этих сталей в морской воде применяются проволоки типа Св-08ХГ2С, Св-18ХГСА.

Одним из новых маловнедряемых направлений является сварка открытой дугой (без защитных газов) порошковыми проволоками марок ПП- 1ДСК, ПП- АН3, ЭПС- 15/2 и др. Однако при сварке ответственных конструкций сварка порошковой проволокой открытой дугой практически не применяется.

СВАРКА ПЕРЛИТНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ

К этим сталям относятся следующие стали с содержанием хрома, молибдена и ванадия типа 12 МХ (ГОСТ 20072-74), 12 ХМ (ГОСТ 5520-79), 15 ХМ (ГОСТ 4543-71) работающие при температурах 450-550°С и 12 Х1МФ (ГОСТ 5520-79), 20 ХМФЛ, 15 Х1М1ФЛ (ОСТ 108.961.04-80) работающие при температуре 550-600°С.

В соответствии с предназначением они должны обладать сопротивлением ползучести, длительной прочностью, стабильностью свойств во времени и жаростойкостью. Эти свойства обеспечиваются легированием сталей хромом (0.5÷2%), повышающего жаростойкость сталей при температуре выше 450°С, совместно с молибденом (0.2÷1.0%) повышает в условиях высоких температур длительную прочность и сопротивление ползучести и ванадия (0.1÷0.3) который совместно с углеродом обеспечивает упрочнение стали высокодисперсными карбидами.

Существующая технология сварки и сварочные материалы обеспечивают получение сварного соединения с требуемыми свойствами при соблюдении следующих условий.

Подготовка кромок должна производиться механическим образом. Допускается кислородная или плазменная резка с последующим механическим удалением металла с кромок на глубину не менее 2 мм.

Дуговая сварка производится при температуре окружающей среды не менее 0°С с предварительным и сопутствующим местным или общим подогревом до температур указанных в таблице ниже. Этот подогрев предотвращает появление холодных трещин, вызванных при остывании до нормальных температур выделением в низколегированных сталях диффузионного подвижного водорода.

Таб.№1 «Температура предварительного и сопутствующего подогрева»

МАРКА СТАЛИ	ТОЛЩИНА СВАРИВАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ мм	ТЕМПЕРАТУРА ПОДОГРЕВА ºС
12 МХ, 12 ХМ, 15ХМ	<10 10÷30 >30	– 150÷200 200÷350
2 ХМЛ, 12 Х1МФ	<6 6÷30 >30	– 200÷350 250÷400
15 Х1М1Ф, 20 ХМФЛ, 15 Х1М1ФЛ	<6 6…30 свыше 30	– 250÷400 300…450

Повышение температуры свариваемого металла способствует увеличению диффузионной подвижности водорода и удалению его из сварного соединения, а это повышает пластичность и деформационную способность металла. Иногда необходима длительная выдержка после сварки при температурах 150÷200°С для полного распада аустенита и эвакуации водорода. При ручной сварке сталей типа 12 МХ или 20 ХМЛ используют электроды типа Э – 09Х1М с основным (фтористо-кальциевым) покрытием. Когда применение подогрева и термообработки сварных соединений невозможны или эти стали свариваются с аустенитными, допускаются электроды на никелевой основе.

Сварка этих сталей в защитных газах осуществляется как плавящимся так и неплавящимся электродом. При сварке плавящимся электродом в СО₂ или смесях Ar + СО₂ (при добавке к Ar 15% – 20%СО₂) используются только те проволоки в маркировке которых присутствуют буквы «Г» и «С» т.е. раскислители марганец и кремний. Это проволоки марок:

Св – 08Г2С, Св – 08ХГСМА, Св – 08ХГСМФА и др.

Сварку осуществляют на постоянном токе обратной полярности. В зависимости от диаметра проволоки используют режимы (см. таблицу 2).

Таб.№2 «Режимы сварки в CO2 плавящимся электродом»

Ø проволоки	Jсв	Uср
мм	А	В
1,6 2	140-200 280-340	20-22 26-28

Сварка неплавящимся электродом осуществляется в чистом Ar. Сварка выполняется на постоянном токе прямой полярности. Используются такие сварочные проволоки как Св – 08ХМ, Св – 08ХГСМА. Сварка хромомолибденованадиевых сталей осуществляется проволоками Св – 08ХМФА и Св – 08ХГСМФА. Проволоки марок Св – 08ХМ и Св – 08ХМФА допускаются только при содержании в них кремния не менее 0,22%.

Сварка жаропрочных перлитных сталей выполняется и под флюсом. При этом применяются флюсы с незначительным содержанием окислов кремния и марганца. Это флюсы типа

48 – ОФ – 6, АН – 30, АН – 22. Сварка производится на изделиях с толщиной стенок более 20мм на постоянном токе обратной полярности.

На хромомолибденованадиевых сталях применяют режимы с малой погонной энергией (проволока Ø = 3мм; Jсв = 350 – 400А;

Uдуги = 30-32В; Vcв=40-50м/час.

Хромомолибденовые стали сваривают проволоками Ø 4-5мм при Jсв = 520 – 600А; Uдуги = 30 – 34В. Для сварки хромомолибденованадиевых сталей используются проволоки типа Св – 08ХМФА, а для хромомолибденовых – Св – 08МХ и

Св – 08ХМ.

СВАРКА ВЫСОКОХРОМИСТЫХ МАРТЕНСИТНЫХ, МАРТЕНСИТНО – ФЕРРИТНЫХ И ФЕРРИТНЫХ СТАЛЕЙ

Железо образует с хромом непрерывный ряд твердых растворов с объемно-центрированной кубической решеткой. По кристаллической решетке хромистых сталей при комнатной температуре различают стали мартенситные, мартенситно-ферритные и ферритные. При низком содержании углерода легирование стали хромом до 12% по сумме (под суммой понимается эквивалентное значение хрома Ф = % Cr + %Si*1,5 + %Nb*0,5 + %Mo + %V*0,8 + %Ti*4,0) приводит к формированию однофазной мартенситной структуры, образующейся даже при медленном охлаждении от 800°С со скоростью менее 10°С/сек. Поэтому марки сталей с содержанием 11 – 12%Сч отнесены к мартенситным. Дальнейшее увеличение содержания хрома приводит после охлаждения к получению смешанной мартенситно-ферритной структуры. Поэтому легированные стали (в том числе молибденом, ванадием, никелем в небольших количествах) с содержанием хрома 13÷14% отнесены к мартенситно-ферритным. Дальнейшее увеличение содержания хрома в стали при малой концентрации углерода приводит к тому, что сталь при любых температурах и любой скорости охлаждения сохраняет ферритную структуру. Поэтому ферритными называют стали с низким содержанием углерода легированные хромом в количестве не менее 16%.

СВАРКА ВЫСОКОХРОМИСТЫХ МАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ

К высокохромистым мартенситным относятся стали марок 15XIIМФ; 15Х12ВНМФ; 18XIIМНФБ; 13XIIH2B2МФ; 12XIIB2МФ; 10XI2НД; 06XI2Н3Д.

Стали данного типа склонны к хрупкому разрушению в состоянии закалки и при содержании углерода более 0,10%, и образованию холодных трещин при сварке. Для предотвращения образования холодных трещин при сварке сталей с 11 – 12% хрома применяют предварительный и сопутствующий подогрев до 200 – 450°С. Температура подогрева должна быть тем выше, чем больше эквивалент углерода, рассчитываемый по формуле С_экв = %С + %Mn/6 + %Cr/5 + %V/5 + %Mo + %Ni/15 + %Cu/13 + %P/2, где З – фосфор. При этом медь и фосфор учитываются только в том случае, если меди больше 0,5%, а фосфора больше 0,05%. В то же время избыточное тепло может привести к отпускной хрупкости, из-за снижения скорости охлаждения в околошовной зоне. Эти стали дополнительно легированные никелем образуют мартенсит, отличающийся высокой пластичностью и вязкостью. Тем не менее высокая чувствительность металла шва к водородной хрупкости вызывает необходимость предварительного сопутствующего подогрева до 110 – 200°С. Сварка этих сталей может осуществляться покрытием электродами вручную, обеспечивающими получение сварочных швов, близких по химическому составу основному металлу. Наряду с электродами близкими по составу к основному металлу применяют аустенитные электроды.

Для автоматической сварки используют проволоки Св – 15XI2НМВФБ и Св – 15XI2-ГНМБФ и флюсы АН – 17 и ОФ – 6.

Во всех случаях сварные соединения подвергают немедленному термическому отпуску. В некоторых случаях перед отпуском производится подстуживание до 100°С для завершения j-α(М)-превращения.

Тепловые режимы подогрева мартенситных сталей приводятся в таблице №3.

Таблица. №3

Марки стали	Т°С Подогр.	Продолжительность хранения до термообработки (в час.)	Термическая обработка
15XIIМФ 15XI2ВНМФ 18XIIМНФБ 13XIIН2В2МФ	300	Не допускается	Отпуск при 700-720°С без охлаждения. При толщине более 30 мм перед термообработкой рекомендуется подстуживание до 100 °С
12 XIIВ2МФ	250- 300	72	Отпуск при 715-745°С предварительный и 735-765 °С окончательный.
10X12НД 06Х12Н3Д	>100 >200	} Не допускается	Отпуск при 650°С с предварительным подстуживанием. Отпуск при 610-630°С предварительный и 625-650°С окончательный.

СВАРКА МАРТЕНСИТНО – ФЕРРИТНЫХ СТАЛЕЙ

К мартенситно-ферритным относятся следующие марки сталей: 08Х13; 12Х13; 20Х13; 08Х14МФ; 14Х17Н2.

Термическая диаграмма распада аустенита в сталях данных марок с небольшим содержанием углерода имеет две области превращений: в интервале температур 600-930°С образуется ферритно-карбидная структура, а в интервале 120-420°С образуется мартенсит. Количественная сторона этих превращений зависит от скорости охлаждения, с увеличением которой возрастает количество мартенсита и снижается ударная вязкость. В связи со склонностью к подкалке повышается возможность образования холодных трещин. Отпуск сталей при температуре 650-700 °С приводит к распаду структуры закалки и уменьшению тетрагональности структуры мартенсита. Кроме этого в зоне термовлияния сварных соединений может быть много б-феррита. Участие б-феррита отрицательно влияет на вязкость сварного соединения. В целом сварка мартенситно-ферритных сталей производится с предварительным сопутствующим подогревом. Даже при сварке самой простой стали марки 08Х13 рекомендуется подогрев от 150 до 250°С с последующей термообработкой. На этих сталях выполняется ручная сварка покрытыми электродами, сварка в защитных газах и сварка под флюсом. Широко применяются сварочные материалы, обеспечивающие получение аустенитного наплавленного металла – это электроды Э-10Х25Р13Г2, Э-10Х18Н2, сварочные проволоки Св-07Х25Н12Г2Т, Св-08Х18Н2ГТ, Св-08Х14ГНТ.

Так как при сварке этих сталей применяют в основном аустенитные материалы, прочностные свойства сварных соединений ниже свойств основного металла.

СВАРКА ХРОМИСТЫХ ФЕРРИТНЫХ СТАЛЕЙ

Стали с обычным содержанием углерода, легированные хромом в количестве от 16% и более относятся к ферритным. Характерными представителями этого типа сталей являются марки 08Х17Т; 15Х25Т; 08Х23С2Ю.

Эти стали склонны к повышению охрупчивания под воздействием подогрева. Их пластичность и ударная вязкость в зоне термовлияния шва стремятся к нулю. Зона охрупчивания в основном измеряется расстоянием от линии сплавления до изотермы 1000°С. А также с зонами образования б-фазы (550 – 850°С) и 475°С хрупкости (изотермы 100 – 550°С). Хрупкость устраняется, а пластичность восстанавливается при нагреве сварного соединения до 750 – 760°С. Во избежание образования трещин все операции, связанные со сварной правкой и ударными нагрузками рекомендуется производить с предварительным подогревом конструкции до 150 – 200°С, а после сварки рекомендуется ускоренное охлаждение (100°С/с) для уменьшения продолжительности выдержки в интервале температур близких к 475 °С.

В качестве сварочных материалов для дуговой сварки покрытыми электродами, сварки в защитных газах и под флюсом применяют электроды и проволоки, обеспечивающие получение наплавленного металла типа Х25Н13 с аустенитной структурой.

При требованиях к стойкости МКК сварных соединений применяются сварочные материалы, легитированные Nb или Ti и Al. В химическом машиностроении применяют электроды типа Э-10Х17Т, а также используют проволоки Св – 10Х17Т для аргонно-дуговой сварки и автоматической сварки под флюсом. При использовании аустенитных электродов и проволок с повышенной чистотой по примесям, металл шва отличается высокой эластичностью и ударной вязкостью. Для ферритных сталей обязательно применяется отжиг при 760°С, при котором полностью релаксируют остаточные напряжения. Крупнозернистая структура и хрупкость сварных соединений из ферритных сталей не удаляются термической обработкой.

СВАРКА ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Состав легирования определяет служебное назначение легированных сталей (см. стр. 2). По назначению их можно разделить на 4 группы – коррозионно-стойкие, жаропрочные, жаростойкие и хладостойкие. Коррозионно-стойкие обладают высокой коррозийной стойкостью, в атмосферной, газовой средах, в водных растворах кислот, щелочей и жидкометаллических сред. Эта стойкость проявляется при комнатных температурах, пониженных и повышенных температурах по отношению к комнатной. Жаропрочные, жаростойкие и хладостойкие стали способны сохранять свои механические свойства в условиях работы при высоких и низких температурах. А их поверхность способна противостоять разрушению при высоких и низких температурах. Свариваемость многокомпонентных сталей и сплавов затрудняется по мере увеличения количества легирующих элементов и разнообразия условий эксплуатации конструкций. Общей сложностью сварки является предупреждение образования в шве и околошовной зоне кристаллизационных горячих трещин. Эти трещины могут возникать также и при термообработке, и при работе конструкций при повышенных температурах. Природа склонности к образованию горячих трещин, как в этих сталях, так и в швах кроется в крупнозернистой дендритной структуре с образованием межкристаллитных прослоек повышенной толщины, которые состоят из легкоплавких эвтектик затвердевающих после образования кристаллов в процессе возникновения усадочных напряжений. Одним из методов борьбы с зарождением горячих трещин является увеличение в металле шва ферритообразующих элементов, таких как хром, кремний, алюминий, молибден. Эти элементы способствуют уменьшению размеров зерен и увеличению их количества, а также обессериванию металла шва и способствует уменьшению количества легкоплавной сульфидной эвтентики. Однако содержание феррита до 20-25% допускается в коррозийно-стойких сталях, работающих до температур 400°С. В швах, работающих при более высоких температурах, возможно в процессе эксплуатации преобразование б-феррита в б-фазу ухудшающую служебные характеристики швов. Поэтому на жаропрочных и жаростойких сталях и в их швах количество б-феррита ограничивают 4-5%.

В сталях с большим запасом аустенитности и аустенитно-ферритных, а также в их швах, увеличение стойкости от горячих трещин достигается ограничением содержания вредных (фосфор, сера) и ликвирующих примесей, как в процессе плавок сталей и сварочных материалов, так за счёт режимов, обеспечивающих незначительное расплавление основного металла, ограничение размеров валиков, охлаждения каждого валика многослойного шва до комнатной температуры и т.д., и т.п.

Другим дефектом, возникающим при эксплуатации сварных конструкций из высоколегированных аустенитных сталей, является охрупчивание металла шва и околошовной зоны. Это происходит из-за больших скоростей охлаждения швов при сварке и которые приводят к фиксации неравномерных по отношению к рабочим температурам структур. Во время эксплуатации жаропрочных жаростойких сталей при температурах выше 350°С в результате диффузионных процессов может появиться 475° хрупкость (старение при температурах 350 – 500°С), выпадение карбидов (старение при 500 – 650°С), образование б-фазы (выдержка при температуре 700 – 850°С) с соответствующим охрупчиванием металла и снижением предела ползучести. Последнее приводит к образованию трещин в зоне термического влияния и горячих трещин в шве. Предупреждение подобных локальных разрушений достигается термообработкой на аустенизацию и снятие остаточных сварочных напряжений (температура 1050 – 1100°С). Эта термообработка в большинстве случаев сопровождается стабилизирующим отжигом при температурах 750 – 800°С. Кроме этого, для предотвращения возникновения холодных трещин уменьшается жесткость свариваемых кромок за счёт предварительного и сопутствующего подогрева околошовной зоны до температур 350 – 450°С. У большинства жаростойких сталей, имеющих большой запас аустенитности, из-за карбидного и интерметалидного дисперсионного твердения, при сварке, возможно образование холодных трещин в шве и околошовной зоне. Эта возможность устраняется предварительным подогревом кромок шва до температур 250 – 550°С. У высоколегированных аустенитных сталей и сплавов на хромоникелевой основе может развиваться межкристаллитная коррозия в металле шва, в основном металле у линии сплавления (ножевая коррозия) или на некотором удалении от шва (см. рис. 2).

Рис.2

При повышенном содержании в аустените углерода под действием термического цикла по границам зерен аустенита происходит выделение карбидов хрома. Такие участки зерен с местным обеднённым твёрдым раствором хрома при работе в коррозийной среде быстро растворяются, что приводит к нарушению связи между отдельными зернами. Этот процесс носит название межкристаллитной коррозии.

В металле шва межкристаллитная коррозия может возникнуть при длительном пребывании в интервале критических температур. Это же может произойти со швом в процессе длительной эксплуатации в диапазоне температур 600-700°С. Воздействием термического цикла на основной металл обусловлена и межкристаллитная коррозия в зоне термовлияния. Ножевая коррозия имеет сосредоточенный характер и поражает основной металл на участках, которые нагревались до температур выше 1250°С. Основные методы борьбы с МКК – дополнительное легирование такими ферритизаторами, как кремний, молибден, ванадий, алюминий, поскольку это измельчает структуру зерен, повышает устойчивость к МКК снижение содержания углерода до пределов его растворимости в аустените (0,02…0,03%) и легирование более энергичными, чем хром, карбидообразующими (титан, ниобий, тантал, ванадий).

Высоколегированные аустенитные стали и сплавы обладают комплексом свойств, позволяющих использовать одну и ту же марку сталей для изделий различного назначения. Из вышеизложенного следует, что при сварке этих сталей возникают, как общие для всех сплавов этого класса проблемы свариваемости, так и обусловленные спецификой эксплуатации конструкций из них.

К общим проблемам свариваемости относятся, во-первых, уменьшение, по сравнению с низколегированными сталями, теплопроводности и увеличение электросопротивления, вследствие чего увеличивается при одинаковых с низколегированными сталями режимах глубина проплавления, ширина распределения изомером в температурном поле при сварке конструкций (см. рис. 3), разогрев электрода в месте и скорость его подачи. Вследствие этого уменьшается плотность тока в электроде, длина обмазанных электродов, режимы сварки и т.д., и т.п. Меры по предупреждению образования горячих трещин в швах и околошовной зоне сводятся к следующим: ограничение в металле шва и основном металле содержания вредных примесей (сера, фосфор) и газов - кислорода и водорода. Для этого уменьшаются режимы сварки, позволяющие уменьшить долю основного металла в шве, сокращаются вылеты электродов, уменьшается длина дуги при сварке покрытыми электродами, применяются бескислородные флюсы, в качестве защитных газов используется аргон или смесь аргона с небольшим количеством СО₂ и т.д., и т.п.

Рис.3.

Распределение изотерм при сварке на одинаковых режимах низколегированных (α) и аустенитных (δ) сталей. Для повышения стойкости к горячим трещинам стремятся получить в металле шва двухфазную мелкозернистую структуру либо за счет увеличения феррита, либо мелкодисперсных карбидов и интерметаллидов, либо за счет азота, способствующего измельчению структуры в аустените. Этому же способствует уменьшение поперечного сечения одиночного валика, наложение каждого последующего прохода в многопроходном шве, только после полного остывания предыдущего, поперечные колебания дуги, по разделке способствующие разориентации роста дендритов.

К специфическим особенностям свариваемости этих сталей, обусловленных их служебным назначением, относятся: во-первых, при сварке жаропрочных и жаростойких высоколегированных сталей в ряде случаев невозможно производить термообработку на аустенизацию с последующим стабилизирующим отпуском. В таком случае перед сваркой производится предварительный и сопутствующий подогрев при температуре 350 – 400°С, а обеспечение жаростойкости достигается за счёт проволок, имеющих металл шва соответствующий по составу основному металлу. Кроме этого, перечисленные в общих требованиях приемы сварки часто не могут быть использованы одновременно, так как влияние на свойства шва и околошовной зоны одного исключает применение другого. Поэтому в зависимости от предназначения конкретного изделия при его сварке могут применяться конкретные приемы, обеспечивающие получение сварного соединения с требуемыми свойствами.

Эти стали могут свариваться следующими способами:

Газовая сварка – используется для жаропрочных и жаростойких сталей толщиной 1-2 мм. Процесс производится с большой скоростью левым способом. Сварные соединения имеют большие деформации.

При ручной сварке покрытыми электродами следует учитывать перечисленные выше требования в металлу шва. Кроме этого, рекомендуется применение электродов с фтористо-кальциевым покрытием, обеспечивающим минимальный угар легирующих элементов. Для коррозийно-стойких сталей рекомендуются марки электродов ЦЛ-11, 03Л-7, 03Л-22, АНВ-13, Л-38М, СЛ-28, НЖ-В. Для жаропрочных и жаростойких сталей ЦТ-15, 03Л-4, 03Л-5, 03Л-6, 03Л-9-1.

Автоматическая сварка под флюсом является одним из основных способов создания конструкций с толщиной металла от 3 до 50 мм из этих сталей. Преимущества вида сварки по сравнению с ручной – это, во-первых, отсутствие разделок кромок при толщинах до 12 мм, однородность металла шва, отсутствие большого количества кратеров, уменьшение потерь на угар, разбрызгивание, сокращение коэффициента расхода сварочных проволок и т. д., и т.п.

При сварке многопроходных швов отдельные валики (из которых состоит шов) имеют небольшие сечения. Поэтому применяются проволоки небольшого диаметра 2-3 мм. Флюсы, применяемые при сварке, относятся к безокислительным, низкокремниевым, фторидным и высокоосновным. Это позволяет в плавильном пространстве над сварочной ванной создавать малоокислительные среды, способствующие минимальному угару легирующих элементов. Применяются следующие марки флюсов: АНФ – 5; АНФ – 7; АНФ – 14; АНФ – 16; 48 – ОФ – 10; ФКЦ;

К – 8 и др.

Электрошлаковая сварка с её малой интенсивностью источника нагрева, малой скоростью сварки и повышенной длительностью пребывания металла шва и околошовной зоны при повышенных температурах с одной стороны понижает чувствительность к образованию горячих трещин и позволяет получать чисто аустенитные швы. В то же время эти же факторы повышают склонность сварных соединений к околошовным разрушениям в процессе термообработки или эксплуатации при повышенных температурах. Флюсы, применяющиеся при электрошлаковой сварке АНФ – 1, АНФ – 6, АНФ – 7. В основном варятся большие толщины 100 – 200мм, и в качестве сварочного материала используются пластины с поперечным сечением 10×100мм или 12×100мм. Режим сварки от 600А до 2000А при напряжении от 22 до 42В.

Сварка в защитных газах один из наиболее распространённых дуговых методов соединения высоколегированных сталей. Этим методом соединяется весь диапазон толщин этих сталей от десятых долей до сотен миллиметров. В качестве защитных газов используются инертные аргон и гелий, или активные СО₂, а также смеси аргона с гелием, аргона с СО₂ или кислородом. В некоторых случаях применяются смеси аргона с азотом, который, являясь активным аустенизатором, позволяет изменить структуру металла шва. В основном защитные смеси базируются на добавках к аргону 3-5% кислорода, 10-20% углекислого газа, 5-10% азота или 25 % гелия. Добавки этих газов к аргону позволяют не только влиять на металлургические процессы в сварочной ванне, но и повышать служебные характеристика сварочной дуги. Так, при небольших добавках кислорода, углекислого газа или азота дуговой процесс приобретает более стабильный характер горения, значительно (до полутора раз) сокращаются критические токи, переводящие перенос электродного металла из мелкокапельного в струйный. Это позволяет широко пользоваться процессами сварки в защитных газах в пространственных положениях, отличных от нижнего.

Сварка в защитных газах может производиться плавящимся и неплавящимся электродом.

Сварка неплавящимся вольфрамовым электродом осуществляется только в инертных газах аргоне или гелии и их смесях 75% аргона+25% гелия. Существуют три способа сварки в защитных газах неплавящимся электродом. Ручная – выполняется в аргоне и двух механизированных (полуавтоматическая и автоматическая), которые выполняются как в аргоне и гелии (на активных материалах, таких как Тi ) так и смесях Ar+N₂. Ручная сварка неплавящимся электродом в аргоне применяется для конструкций из тонких листов (толщина листов от 1 до 5мм).

Существуют механизированные технологии неплавящимся электродом, например, применяется ручная сварка вольфрамовым электродом в аргоне с механизированной подачей присадочной проволоки. Поверхность швов, сваренных в аргоне, неравная с чешуёй. Для выравнивания этой поверхности используется сварка в гелии на небольшом токе и большом U_g. Сварка неплавящимся электродом с механизированной подачей присадочной проволоки при заварке корня шва на толстостенных конструкциях. При этом обеспечивается высокое качество корневого прохода и при узких зазорах (порядка 2мм) формирование обратной стороны шва. Сварка вольфрамовым электродом высоколегированных сталей выполняется на постоянном или импульсном токе при прямой полярности. В настоящее время рекомендуется применять сварку неплавящимся вольфрамовым электродом высоколегированных сталей в толщинах до 20 мм, а при больших толщинах выполнять корневые проходы.

Плавящимся электродом в защитных газах сваривают как тонколистовые, так и толстолистовые высоколегированные стали. При этом в последнее время (начиная с 80-х годов прошлого столетия) существенно сократились объемы сварки плавящимся электродом высоколегированных сталей в СО₂ и чистом аргоне. В СО₂ сократились из-за выгорания элементов, особенно таких как титан, алюминий, ниобий и др. При сварке в чистом аргоне глубоко аустенитными проволоками, такими как ЭП-395, в швах появляется равномерно распределённая мелкая пористость. Поэтому основной защитной средой при сварке плавящимся электродом высоколегированных сталей стала смесь, состоящая из Ar+10-15% СО₂. Сварка плавящимся электродом в защитных смесях осуществляется автоматами и полуавтоматами на постоянном или импульсном токе при обратной полярности дуги. В незначительных объёмах применяется сварка на переменном высокочастотном токе. В незначительных объёмах на высоколегированных сталях применяют плазменную сварку, сварку электронным лучом и лазером. Перспективность применения последнего весьма очевидна.

СВАРКА ЧУГУНА

Чугун - это многокомпонентный сплав, содержащий углерод от 2% до 6,67%, кремний, марганец, серу, фосфор. В зависимости от состояния углерода в сплаве различают белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны, а в зависимости от легирования так же аустенитно-никелевые и высоколегированные хромистые.

Белый чугун имеет в изломе почти белый цвет. Это обусловлено тем, что углерод в сплаве находится в связанном состоянии в виде карбида железа - цементита Fe_зC, который образует эвтектику-ледебурит, представляющую собой смесь цементита с перлитом или аустенитом. Цементит хрупок, имеет высокую твердость (НВ 800), веледствии чего белые чугуны не поддаются механической обработке, применяются ограниченно и используются преимущественно для получения ковких чугунов.

Серые чугуны имеют в изломе серебристый цвет из-за наличия в сплаве пластинчатых включений графита. В зависимости от условий и степени графитизации могут получаться чугуны с перлитной, перлитно-ферритной и фериттной основами. Графит уменьшает чувствительность чугуна к внешним надрезам, способствуя тем самым высокой сопротивляемости знако-переменным нагрузкам. Высокие прочностные и литейные качества, хорошая обрабатываемость и износостойкость способствовали серому чугуну найти широкое применение как конструкционного материала. По ГОСТ 1412-79 марку серого чугуна обозначают буквами СЧ и двумя числами, из которых первое обозначает величину временного сопротивления при растяжении, а второе - при изгибе.

Высокопрочные чугуны производят по специальной технологии с применением особых добавок (магния, редкоземельных элементов и т.д.). Благодаря этому, выделяющийся в сплаве графит приобретает шаровидную форму и его включения равномерно распределяются по всей металлической матрице. Шаровидная форма графита предает чугуну высокие механические свойства.

Ковкие чугуны получают из белых посредством их (белых) термической обработки - длительной выдержке при температуре 800-850°С. При этом углерод в чугуне выделяется в виде хлопьев свободного углерода, располагающихся между кристаллами чистого железа. Согласно ГОСТ 1412-79 ковкий чугун обозначается буквами КЧ и двумя цифрами, первая из которых обозначает временное сопротивление при растяжении, а вторая - относительное удлинение в процентах.

Легированные чугуны (аустенитно-никелевые и хромистые) содержат примеси хрома до 10%, никеля до 22%, молибдена до 3%, меди до 9% и т.д. и применяются в различных отраслях промышленности как материалы со специальными свойствами.

Плотность чугуна зависит от химического состава, рода чугуна, формы и характера распределения графита и количественного соотношения структурных составляющих. Плотность чугуна с повышением температуры понижается и при температуре плавления составляет 7,1 +/- 0,05 г/см₃. Плотности структурных составляющих чугуна в твердом состоянии (в г/см3); феррита -7,87; перлита- 7,8; цементита- 7,66 и графита- 2,3.

Основными легирующими компонентами всех чугунов являются углерод, кремний, марганец, сера и фосфор.

Углерод снижает температуру плавления сплава и повышает его жидко-текучесть. С повьшением углерода в сплаве увеличивается количество и размеры графитовых включении, что снижает вероятность отбела (т.е. появления цементита), но в то же время ухудшает механические свойства.

Кремний уменьшает растворимость углерода в железе и способствует его графитизации, особенно при его содержании в сплаве ~3%, т.к. изменение содержания кремния в сплаве в ту или другую сторону от 3% уменьшает его влияние на графитизацию углерода. Большое влияние на структуру чугуна оказывает суммарное соотношение концентрации углерода и кремния.

Марганец способствует образованию цементита, причем наиболее сильно это свойство проявляется при содержании его в сплаве более 1,5%, При меньших количествах марганец способствует графитизации чугуна. Кроме этого, марганец устраняет отрицательное влияние серы, связывая ее в химическое соединение МnS , которое сравнительно легко удаляется из металла в шлак.

Сера является вредной примесью. Она вызывает отбел чугуна, образует по границам зерен легкоплавкую эвтектику и способствует образованию горячих трещин. Верхний предел содержания серы в чугунах 0,1%.

Фосфор в сплаве увеличивает жидкотекучесть и понижает температуру затвердевания чугуна, способствует его графитизации. Вместе с тем фосфор увеличивает склонность, к образованию трещин. Содержание фосфора в чугунах не должно превышать 0,2%.

Кроме этого необходимо отметить, что алюминий, никель, кобальт, медь способствуют графитизации чугуна. Ванадий, хром, молибден препятствуют распаду карбидов железа.

Все материалы, предназначенные для заварки дефектов, подразделяются на три группы.

В первую группу входят материалы, наплавленный металл которых представляет собою чугун с заданной структурой и свойствами. Материалы первой группы, в основном, предназначаются для горячей газовой и дуговой сварки за небольшим исключением, оговоренном ниже.

По структурным характеристикам все материалы первой группы делятся следующим образом.

-1а. Материалы, у которых наплавленным металлом является чугун с перлитно-ферритной структурой. Это прутки чугунные по ГОСТ 2671-70 марок А и Б, прутки чугунные ПЧ-1, электроды чугунные марки ЭЧ-1 на прутках ПЧ-1, а так же на прутках по ГОСТ 2671-70 марок А и Б; порошковая проволока ППАНЧ-2 и ППЧ-З; электроды марки ЦЧ-5, изготовленные с использованием стальной проволоки Св-08.

-1б. Материалы, у которых наплавленный металл является чугуном с перлитной структурой. Это прутки чугунные марок ПЧС-1 (ПЧ-2); прутки чугунные самофлюсующиеся марки ПЧ-3; прутки чугунные по ГОСТ 2671-70 марок НЧ-2 и УНЧ-1 для низкотемпературной пайко сварки; электроды чугунные марки ЭЧ-2, выполненные на прутках ПЧС-1; проволока порошковая диаметром 3 - 5,5 мм марки ППЧ-ЗМ.

-1в. Материалы, у которых наплавленный металл является чугуном с шаровидным графитом. Это прутки чугунные марки ЭВЧ-1, выполненные на прутках ПЧС-2; порошковая проволока марок ППАНЧ-5 и ППВЧ-1; электроды медноникелевые марки МНЧ-2, предназначенные для холодной сварки.

Ко второй группе относятся сварочные материалы, наплавленный материал которых не является чугуном и предназначен для холодной дуговой сварки, наплавки валиков и низкотемпературной пайко сварки.

Все они подразделяются на две подгруппы - материалы, наплавленный металл которых должен обрабатываться механическими способами так же, как и чугун, и материалы, к наплавленному металлу которых не предъявляются условия обрабатываемости.

К первой подгруппе второй группы относятся электроды медно-стальные на медной проволоке марки ОЗЧ-2; электроды железоникелевые марки ОЗЖН-1, электроды специальные марки ЦЧ-4, изготовленные с применением проволоки Св-08; сварочные проволоки малых диаметров: на никелевой основе, самофлюсующиеся марки ПАНЧ-11, на медной основе самофлюсующиеся марки МрЗКМцТ-03-03-7,0-0,3; прутки латунные марки ЛОМНА; порошковые самофлюсующиеся сплавы марок НПЧ-1, НПЧ-2, НПЧ-3, НПЧ-4.

Ко второй подгруппе второй группы относятся электроды стальные на базе проволоки Св-08 тонкопокрытые марки АН-1.

К третьей группе сварочных материалов относятся керамические стержни и флюсы - неметаллические сварочные материалы, которые применяются в процессах сварки и пайки для получения высококачественного наплавленного металла. Это керамические стержни марок СКЧ-3 и СКВЧ-1, применяющиеся для горячей механизированной заварки дефектов небольших размеров; флюсы марок ФСЧ-1 и ФСЧ-2 применяющиеся для газовой заварки дефектов чугунными прутками; флюсы марок ФПCH-1, ФПСН-2 применяющиеся для пайки и низкотемпературной пайко-сварки латунными и медносплавленными присадками типа ЛОМНА.

С технологической точки зрения чугун является трудносвариваемым материалом, что обусловлено его хим.составом, структурой и механическими свойствами. Большая жидкотекучесть чугуна не позволяет выполнять его сварку в пространственных положениях, отличных от нижнего. Малая пластичность характеризуется возникновением в процессе сварки значительных внутренних напряжений и закалочных структур, которые часто приводят к образованию холодных трещин (зона температур охлаждения 250 - 400°С). Интенсивное выгорание углерода при сварке приводит к пористости сварного шва. Кроме этого, в процессе сварки чугуна образуются тугоплавкие оксиды, температура плавления которых выше, чем у самого чугуна. Кроме этого, по мере увеличения скорости охлаждения чугуна после сварки увеличивается вероятность появления белого чугуна.

Сварка чугуна применяется только при ремонте чугунных деталей. Чугунных сварных конструкций не существует. Сварку мелких дефектов, как правило, осуществляют газовой горелкой. Это диктуется как технической, так и экономической целесообразностью. Сварку средних и крупных дефектов выполняют дуговыми методами.

Наиболее распространенным является метод горячей сварки. При исправлении дефектов литья этим методом восстанавливается более 50% общего количества исправляемых отливок. Метод горячей сварки может выполняться газовыми горелками с подачей в зону сварки чугунных присадочных прутков, ручная дуговая сварка - чугунными электродами, механизированная (полуавтоматическая) дуговая сварка - порошковыми пролоками без подачи и с подачей в зону дуги керамических стержней.

Сущность горячей сварки состоит в следующем. Изделие тщательно подготавливают к сварке, разделывают и засверливают трещины, удаляют участки с литейной землей, порами, отколами от ударов, тщательно заделываются земляные и шлаковые раковины. Ремонтируемую деталь устанавливают таким образом, чтобы наплавляемая (исправляемая) поверхность находилась в горизонтальном положении. После этого подготовленный к заварке участок по контуру обкладывается формовочной смесью, которая возвышается над поверхностью детали на 8-10мм.

Так как 75% общей усадки чугуна при охлаждении имеет место в температурном интервале, лежащем ниже 700° С, то подготовленную под сварку деталь разогревают до температуры 650-700° С после чего начинается наплавка. На дефектах малых размеров наплавку выполняют газовой сваркой, а на больших - электродуговой. Электродуговая наплавка электродами ведется при силе тока дуги 1200А, электродом 16мм при силе тока до 1400А. При сварке порошковыми одиночными проволоками диаметром 3-3,2мм сила тока дуги составляет 700-900А, а тремя такими проволоками одновременно, проходящими через один мундштук сила тока достигает 1500А. Сварка проволокой Св-08 с подачей в дугу керамических стержней типа ЦСКЧ-2 производится при силе тока дуги 380-400А и падении напряжения 36-38В. При этом средняя скорость расплавления стержня на прямой полярности составляет 47,2 г/мин, на обратной полярности- 52,8 г/мин. В земляной форме металл наплавляется до уровня, превышающего поверхность детали на 5-8мм. При этом наплавка завершается таким образом, чтобы весь наплавляемый участок одновременно находился в жидком или по температуре близкому к расплавленному состоянию. Термообработку заваренных деталей производят немедленно после сварки с использованием тех же средств, что и при нагреве, т.е. в печах камерного типа с выкатным полом, ямного типа, горнах различных конструкций, а так же переносными горелками. Режимы термообработки следующие. В печах нагрев до 700°С (быстрый), выдержка 1-1.5 ч., охлаждение с печью до температуры 200-250°С; на горелках нагрев до 650-700°С, выдержка 1-1.5 ч.; переносными горелками нагрев до 650-700°С и выдержка 1-1.5 ч. При остывании деталь укутывают асбестом или песком. Деталь может подогрваться не вся, а частично, тогда и термообработка должна производиться частично.

После термообработки детали поступают на механическую обработку.

В практике заварки дефектов чугуна применяются так же технологии газопламенной низкотемпературной пайко-сварки чугунными или латунными присадочными материалами, а также наплавочными порошковыми сплавами, методом газопорошковой наплавки (напыления). В случае пайко-сварки массивных деталей или деталей сложной конструкции для предотвращения трещин в наплавке применяют предварительный нагрев детали до температуры 300-400°С. Деталь тщательно подготавливают к проведению сварочных работ. Дефектные места тщательно зачищают механическим способом, вырубают неметаллические включения, расчищают раковины. Подготовленную под сварку поверхность нагревают пламенем горелки с небольшим избытком кислорода для выжигания поверхностногоо углерода до температуры 850-950°С. Затем на разогретую поверхность подается флюс, который расплавляясь взаимодействует с поверхностным углеродом, снижает межфазную поверхностную энергию и улучшает условия смачивания. Затем в пламени горелки начинают расплавлять чугунный присадочный пруток, который каплями стекает на твердую разогретую поверхность, образуя на ней сварной шов или наплавленный валик. Расплавляя присадочный пруток одновременно вводят дополнительный флюс, наплавку ведут без перерыва. Если приходится прерывать процесс, то возобновляют его после полной очистки поверхности. Наплавку продолжают до тех пор пока возвышение ее над поверхностью детали в зоне дефекта не достигнет 2-3мм. Исправленное место засыпают сухой землей, песком, накрывают листом асбеста для замедления скорости охлаждения.

Пайко-сварку чугуна латунными присадками целесообразно выполнять тогда, когда разница в цвете и твердости основного и наплавленного металла не является ведущим показателем. Процесс осуществляется следующим образом. Кромки дефекта нагревают, посыпают флюсом и обслуживают, натирая прутком латуни. При этом пламя должно быть нейтральным. Затем начинается процесс заварки. По окончании процесса заваренный дефект следует подогреть по контуру, деталь укрыть асбестом или засыпать песком для более медленного охлаждения. Мощность пламени определяется возможностями наконечников № 4 и 5. В качестве присадочного материала используют ЛОК, ЛОМНА, Л63. В качестве флюсов ФПСН-2 или МАФ-1. При необходимости исправлять дефекты на финишных операциях механической обработки чугунных изделий применяется газопорошковая наплавка самофлюсующимися порошковыми сплавами. У горелок ГАЛ-2-68 и ГАЛ-4-72 для выполнения операции на корпусе вмонтирован специальный герметичный бункер, в который засыпается самофлюсующийся порошок.

Горелка имеет два последовательно расположенных кислородных инжектора - первый через отсекатель связан с порошковым бункером и когда отсекатель открыт инжектор засасывает порошок в кислородный канал. Второй инжектор служит для засасывания в горелку горючего газа. Перед наплавкой осуществляется подготовка дефектного места под сварку методами приведенными выше. После этого производится местный подогрев поверхности дефекта 400-450°С. Затем над нагретой поверхностью быстро проносят горелку с полностью открытым отсекателем, в результате чего выдуваемый порошок образует тончайший слой на ремонтируемый поверхности детали. Эту операцию называют облуживанием с целью предохранения поверхности от окисления. После этого начинается наплавка дефектного участка, которую выполняют с прерывистой подачей порошка до полного расплавления зерен порошкового сплава. Перед началом операции наплавки горючего газа в горелке должно быть примерно вдвое больше, чем кислорода. В этом случае пламя при подаче порошка приближается к нормальному. Заплавление дефекта следует начинать с центра и по мере заполнения переходить к краям до полного выравнивания с поверхностью здорового металла или превышения его на 1-1.5мм. После окончания наплавку необходимо прогреть пламенем горелки. Исправленное место по периметру разделки дефекта проковать вручную. В качестве порошковых сплавов применяются порошки НПЧ-1, НПЧ-2, НПЧ-3, НПЧ-4. Предел прочности наплавленного металла на разрыв ~24-27 кг/мм², а износостойкость его сопоставима с износостойкостью чугуна СЧ 21-40.

Холодная сварка чугуна осуществляется электродуговым способом. При холодной сварке металлургические процессы в сварочной ванне и процессы кристаллизации наплавленного металла протекают в условиях очень быстрого охлаждения. Основной металл- чугун, переходящий в шов насыщает металл шва углеродом. В зоне сплавления из-за высоких скоростей охлаждения (свыше 30°С/с) углерод расплавленного чугуна не успевает выделиться в виде графита и застывает в связанном состоянии, образуя твердую прослойку. Однако самым слабым местом сварного соединения при холодной сварке является зона термического влияния – часть основного металла , прилегающая к шву в которой под воздействием термического цикла сварки происходит изменение структуры и возникают внутренние напряжения, приводящие из-за низких пластических свойств чугуна к образованию трещин. Даже если трещин не возникает, структурные изменения в зоне термовлияния приводят к снижению прочности серого чугуна в околошовной зоне примерно на 15-20% по сравнению с прочностью основного металла. С увеличением термического цикла, а так же роста температуры при непрерывных процессах сварки создается значительный местный перегрев, увеличиваются внутренние напряжения, которые приводят к образованию трещин в теле отливки. Скорость нарастания температуры в зоне сварки в основном зависит от режима сварки и толщины стенки детали т.к. в тонкостенных деталях отвод теплоты в массу изделия слишком замедлен. В то же время даже при холодной сварке толстостенных (толщина стенки более 30мм) деталей из чугуна наплавить валик длиной более 250мм без трещин не удается. Поэтому режимы сварки делают заниженными и в зависимости от толщины стенки ограничивают площади однослойной наплавки, которые можно производить за один проход до перерыва на охлаждение. Охлаждение допустимой площади наплавки производится до температур

60-80°С.

Толщина стенки (мм)	6	8	10	12	15	20
Допустимая площадь наплавки, см² (до перерыва на охлаждение	5-8	10-12	15-20	20-25	25-30	30-35

Если деталь после сварки должна проходить механическую обработку, а дефекты несквозные незначительных и средних размеров, то холодная сварка выполняется электродами на медно-никелевой основе. Организован промышленный выпуск таких электродов марки МНЧ-2. Рациональная область применения этих электродов дефекты с глубиной после разделки 15-20мм с площадью до 30см² без наполнителя и до 50см²- с наполнителем.

Как правило, наплавка дефекта превышает плоскость обработанной поверхности на 3-4мм. Каждый наплавленный валик зачищают от шлака и проковывают. Холодная сварка чугуна электродами на медно-стальной основе рекомендуется для исправления сквозных дефектов в виде трещин, спаев, разбитых частей, отверстий и несплошности металла. Если ремонтируемый участок должен обладать высокими прочностными свойствами, а механическая обрабатываемость его, разнородность наплавленного металла и различие цвета ремонтируемой поверхности не имеют существенного значения, применяются электроды марки ОЗЧ-2. Промышленный выпуск этих электродов осуществляет Лосиноостровский электродный завод. Наплавленный этими электродами металл представляет собой медно-стальной сплав (80% меди и 20% стали)- механическую смесь меди и стальных включений. В зоне сплавления имеются прерывистые отбеленные участки, создающие определенные трудности при механической обработке.

Холодная сварка чугуна электродам на железоникелевой основе применяется в тех случаях, когда необходимо обеспечить хорошую обрабатываемость шва обычным режущим инструментом с сохранением высокой прочности соединения. Электроды с железоникелевой основой марки ОЗЖН-1 обеспечивают наплавленный металл с пределом прочности 42-50кг/мм², практическое отсутствие отбела чугуна в околошовной зоне, хорошую обрабатываемость механическими способами. Они в значительной степени объединяют свойства электродов на медно-никелевой и медно-стальной основе и весьма перспективно применять их в сочетании с этими электродами. Область их применения: заварка небольших размеров на обрабатываемых поверхностях, трещин, сколов и т.п.

Сварка указанными электродами производится на режимах указанных в таблице:

Марка	Диаметр электрода, Сила мм тока, А	3	4	5	6
ОЗЖН - 1		70 - 100	100 - 130	140 - 160	170 - 200
МНЧ – 2		70 - 90	100 - 130	130 - 160	160 – 180
ОЗЧ -2		90 - 100	120 - 150	160 - 180	190 - 200

Техника выполнения такая же, как и при сварке медно-стальными и медно-никелевыми электродами.

Для холодной сварки применяются также стальные электроды с карбидообразующими элементами в покрытии. В качестве таких элементов используются титан и ванадий, которые связывают углерод, поступающий в шов из основного металла в трудносвариваемые мелкодисперсные карбиды. Если карбидообразующиеся содержатся в шве в избытке по отношению к углероду, то структура шва получается ферритной с включениями мелкодисперсных карбидов. Большее распространение получили электроды ЦЧ – 4 с феррованадием в покрытии.

Холодная сварка чугуна производится так же электродами чугунными или стальными с графитизирующим покрытием. Область их применения- исправление небольших дефектов на механически обрабатываемых поверхностях, не работающих в условиях трения и износа. В местах где заварка сопровождается свободной усадкой наплавленного металла, например, при приварке отбитых выступающих частей, заварке угловых дефектов и т.п. предварительного подогрева детали не требуется. При заварке дефектов (например раковин), когда затруднена свободная усадка наплавленного металла, требуется предварительный подогрев до 300-400°С. Сварка чугунными или стальными электродами с графитизируюющим покрытием может производиться на постоянном и переменном токе. Сила сварочного тока выбирается из расчета 45-50А на каждый миллиметр диаметра электрода.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ НА ИХ ОСНОВЕ

Цветные металлы и их сплавы находят все более широкое применение в таких отраслях техники как машиностроение, химическая, энергетическая, авиастроение, ракетостроение, судостроение, приборостроение и т.д. и т.п. Наиболее широкое применение нашли такие материалы как алюминий, магний, титан, медь, никель, молибден, ниобий, тантал, цирконий, гафний и сплавы на их основе.

От сталей они отличаются большим сродством к кислороду. Оксиды этих материалов более тугоплавки чем основной металл, а вряде случаев более легкоплавки. Все цветные металлы по сравнению со сталями значительно интенсивнее растворяют газы воздуха атмосферы и нтенсивнее взаимодействуют с ними химически. Все это и ряд других свойств накладывает отпечаток на особенности технологии их сварки.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Чистый алюминий используется, и в конструкциях применяются в основном его сплавы. Алюминиевые сплавы подразделяются на деформируемые (применяются в катанном, прессованном, кованном состояниях) и литейные (в виде отливок).

Деформируемые бывают неупрочняемые термообработкой (марок АМц и АМг ) и упрочняемые термообработкой (с системой легирования Al-Mg-Cu; Al-Zn-Mg; Al-Si-Mg ).

Трудность сварки Аl и его сплавов состоит в следующем:

1. Высокие теплоемкость, теплопроводность и скрытая теплота плавления нуждается в более интенсивном чем на сталях тепловложении и поэтому ток при сварке алюминия в 1,2-1.5 раз больше, чем на сталях.

2. Пленку Al₂O₃ покрывающую металл перед сваркой следует удалять механическим путем или травлением. В процессе сварки она удаляется катодным распылением или за счет флюсов и электродных покрытий.

3. Низкая прочность при высоких температурах (рис 4 а) способствует проваливанию сварочной ванны и для исключения этого применяют подкладки из графита и стали.

4. Высокая растворимость газов и особенно водорода (рис.4б) способствует образованию пор в металле шва при остывании. Для предотвращения возникновения пор свариваемая поверхность тщательно зачищается, а при сварке используется подогрев и на металл сварочной ванны накладываются ультразвуковые колебания .

5. Ряд алюминиевых сплавов склонен к образованию горячих или холодных трещин.

6. Значительная усадка металла шва и высокий коэффициент линейного расширения приводит к значительным остаточным деформациям. Для уменьшения коробления применяется раскрепление перед сваркой к жестким конструкциям (пол, постель и т.д.).

7. При сварке нагартованных или термически упрочняемых сплавов прочность сварного соединения ниже прочности основного металла.

Рис.4. Некоторые свойства алюминия в зависимости от температуры а – механические, б – растворимость водорода.

Наиболее применяемые виды сварки плавлением алюминия – это сварка в защитных газах, механизированная сварка с использованием флюса, электрошлаковая сварка, ручная дуговая сварка плавящимся электродом с покрытием, электронно-лучевая сварка.

Перед выполнением сварочных работ поверхность обезжиривают ацетоном, уайт – спиритом и другими растворителями. Окисную пленку удаляют механически проволочными щетками или производят травление едким натром, фтористым натрием с последующей промывкой и осветлением раствором 30-35% азотной кислоты. После этого осуществляется промывка и просушка сжатым воздухом. После химического травления срок хранения свариваемой поверхности достигает 4 суток. После механической зачистки сварку рекомендуется производить не позже чем через 3 часа.

Сварочную проволоку обезжиривают, травят в 15% растворе натрия технического, промывают в воде, сушат и дегазируют (прокаливание при T=300° на воздухе или в вакууме).

СВАРКА В СРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ

В качестве защитных газов при сварке алюминия применяются только аргон высшего и первого сорта, гелий высокой чистоты или смеси аргона с гелием.

Сварка может производится плавящимся или неплавящимся электродом. В качестве неплавящегося применяют керамические прутки чистого вольфрама марки ЭВЧ, вольфрама с присадкой окиси иттрия ЭВИ-1, ЭВИ-2, ЭВИ-3, вольфрама с присадкой окиси лантана марки ЭВЛ, вольфрама с присадкой двуокиси тория марки ЭВТ-15.

Ручную сварку алюминия неплавящимся электродом рекомендуется производить источником переменного тока (300 или 600 Гц) т.к. при сварке постоянным током на обратной полярности возможно разрушение рабочего конца (на средних и больших токах) неплавящегося электрода, а при сварке на прямой полярности плохо разрушаются остатки окисной пленки на поверхности алюминия. Напряжение дуги в аргоне 10-17В, в гелии 20-26В.

Рекомендуются режимы сварки приведенные в таблице 4.

Таблица №4

При этом используются присадочные проволоки марок АО, АД или АК. Для сварки сплавов АМг применяются проволоки тех же марок, но с повышенным магнием для компенсации его угара. Для сохранения жесткости она подается возвратно-поступательными движениями.

При ручной сварке неплавящимся электродом, на стальной подкладке металл толщиной до 3мм сваривают за один проход, толщиной 6 мм за 2 прохода. При толщине металла более 6 мм V-образная или Х-образная разделка кромок заполняющаяся расплавленной присадкой. Производительность сварки вольфрамовым электродом можно существенно повысить (до 3 раз) если применять сварку трехфазной дугой (см. рис.5).

Рис.5 Схема сварки трехфазной дугой (а) поперечное сечение

сварного шва (б):

1 – сопло; 2, 3 – электроды; 4 – изделие.

При этом за один проход на подкладке можно сваривать листы толщиной до 30 мм.

Неплавящимся электродом может выполняться так же автоматическая сварка без разделки кромок на подкладках. При этом сварку выполняют постоянным током на прямой полярности, при толщинах металла до 20мм, за один проход, трехфазной дугой при толщинах металла до 30мм так же за один проход

Сварку металла большой толщины можно так же производить погруженной дугой одним электродом постоянным током прямой полярности. Так стыковое соединение толщиной 75мм без разделки кромок может быть сварено за 2 прохода на токе 500А при диаметре вольфрамового электрода 15мм, угле заточки его конца равном 90° и диаметре притупления 6мм.

Сварку плавящимся электродом в защитных газах осуществляют механизированными способами, полуавтоматом или автоматом, в чистом аргоне или смеси аргона и гелия ( с содержанием гелия в смеси до 70% ). Сварка производится постоянным или импульсным током, частотой от 50 до 100 Гц, обратной полярности. Швы выполненные в аргоне имеют чешуйчатую поверхность, а в смесях с гелием (до 70%) увеличивается ширина и глубина провара и поверхность становится гладкой.

Режимы механизированной сварки приведены в таблице 5.

Таблица №5

Характер переноса электродного металла при сварке плавящимся электродом алюминия аналогичен характеру переноса при сварке плавящимся электродом сталей, т.е. бывает сварка с короткими замыканиями, крупнокапельный перенос, струйный перенос и нестабильное горение дуги, как это показано на рисунке 6:

Рис.6. К выбору параметров режима сварки алюминиевых сплавов плавящимся электродом в среде инертных газов:

А – область коротких замыканий; Б – область сварки короткой дугой; В – область крупнокапельного переноса; Г – область струйного переноса (наиболее предпочтительна); Д – неустойчивый процесс с сильным разбрызгиванием.

СВАРКА С ПРИМЕНЕНИЕМ ФЛЮСОВ

Сварка алюминия с применением флюсов реализуется в виде автоматической сварки по флюсу полуоткрытой дугой и автоматической сварки под флюсом закрытой дугой.

При сварке по флюсу толщина насыпного флюса составляет 7-16мм, а ширина- 25-45мм.

Благодаря высокой концентрации энергии при сварке алюминия по флюсу достигается глубинное проплавление основного металла в 2-3 раза превосходящее при этих же характеристиках сталь.

Для технического алюминия применяют флюс АН – А1, для сварки сплавов другие флюсы не содержащие NaCl, например АН – А4.

Сварка производится на постоянном токе обратной полярности, одинарным или сдвоенным электродом на стальной формирующей подкладке. Режимы приведены в таблице 6.

Режимы однопроходной сварки по слою флюса одиночным электродом на формирующей подкладке.

Таблица №6

Толщина металла (мм)	Диаметр электродной проволоки (мм)	Плотность тока (А/мм²)	Напряжение дуги (В)	Скорость сварки (м/час)
4 12 25	1,0 2,0 3,5 – 4,0	130 – 150 100 – 110 30 – 40	27 – 30 35 – 37 40 – 42	24 – 26 18 – 19 12 – 13

Из-за невысокой жесткости одиночных сварочных проволок при сварке алюминия чаще используются сдвоенные (расщепленные) электроды. Они позволяют увеличить размер сварочной ванны, время пребывания в жидком состоянии и тем самым улучшают условия дегазации сварочной ванны.

Автоматическую сварку под флюсом ведут на больших плотностях тока расщепленным электродом, переменным и постоянным током обратной полярности. Используют керамические флюсы ЖА – 64 и ЖА – 64А.

При сварке с применением флюсов необходимо применять меры по очистке воздуха от сварочных аэрозолей.

ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ СВАРКА

Электрошлаковой сваркой сваривают алюминиевые сплавы толщиной 50 – 250мм. Сварку ведут на переменном токе пластинчатыми электродами или плавящимся мундштуком. Применяют флюсы АН-301, АН-302. Формирование шва осуществляется водоохлаждаемыми медными или графитовыми подкладками. Плотность тока 2,5 А/мм², скорость сварки 6-8 м/час. Прочность сварных соединений от 80 до 100% прочности основного металла.

РУЧНАЯ СВАРКА ПОКРЫТИМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

Этот вид сварки предназначен для изделий из технического алюминия сплавов АМц и АМг (с содержанием Mg до 5%), силуминов. Сварку на толщинах до 10 мм рекомендуется производить без разделки кромок, свыше 10 мм – с разделкой. Конструктивные элементы различных типов сварных соединений предусмотрены ГОСТ 14896 – 69.

При сварке необходим подогрев до 100 – 400°С в зависимости от толщины детали. Диаметры стержней электродов от 4 до 8мм. Химсостав проволок стержней близок к химсоставу основного металла. Для сплавов типа АМг в химсоставе стержней на 2% увеличено содержание Mг для компенсации его выгорания. Покрытие электродов составляют криолит, хлористые и фтористые соли натрия, калия, бария и лития. Сварочный ток Jcв = (50 – 60) d_э, Uq = 30 – 36 В. Ток постоянный обратной полярности. При обрывах дуги кратер и конец электрода покрываются пленкой шлака препятствующей ее повторному зажиганию. При выполнении многослойных швов необходима тщательная зачистка.

ЭЛЕКТРОННО – ЛУЧЕВАЯ СВАРКА

По сравнению с перечисленными выше, этот способ позволяет вести сварку на высоких скоростях и получать минимальное разупрочнение металла в зоне термического влияния, качественные швы и минимальные деформации конструкций. Вакуум и высокая интенсивность теплового потока способствует хорошему удалению оксидной пленки Al₂O₃ и водорода из шва.

Пример режима сварки пластины из сплава АМг6 толщиной 10 мм: ускоряющее напряжение Uус = 20кВ, ток Jcв = 140 мА, скорость сварки Vcв = 72 м/час.

Механические свойства сварного соединения близки к свойствам основного металла.

В последнее время начинает находить применение плазменная сварка. Она может выполняться на переменном токе или постоянном токе обратной полярности. По сравнению со сваркой неплавящимся электродом этот способ повышает производительность труда на 50 – 70%.

При сварке листов малой толщины эффективно применять микроплазменную сварку, плазмообразующим газом в которой является Ar, а защитным газом He.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ

Техническая медь по ГОСТ 859 – 78 (ред. 1992 г.) выпускается 9 марок. К сплавам на медной основе относятся латуни, бронзы, медно – никелевые сплавы.

Основой латуни являются медь и цинк, а ее хим. составы приведены в ГОСТ 15527 – 70 и ГОСТ 17711 – 93. При содержании цинка до 39% латуни пластичны, хорошо свариваются, коррозионностойки.

При содержании цинка менее 5% сплавы называются бронзами. Бронзы бывают оловянистые, алюминиевые, кремнистые, хромистые, марганцевистые и др. Оловянистые бронзы обладают высокими антифрикционными свойствами, алюминиевые и кремнистые – высокими механическими свойствами, марганцевистые- повышенной жаростойкостью. Кроме этого все они имеют высокую коррозионную стойкость.

Медно-никелевые сплавы содержат до 30% никеля, марганец и железо и применяются для конструкций, работающих в агрессивных средах.

На технологию сварки меди и медных сплавов влияет сочетание следующих физических и металлургических параметров:

1. Высокая теплопроводность и наличие примесей, таких как кислород, свинец, висмут и др., образующих легкоплавкие эвтектики, снижает стойкость металла против образования кристаллизационных трещин, в том числе и в зоне термического влияния (в дальнейшем ЗТВ).

2. Высокий коэффициент линейного расширения приводит к высоким остаточным сварочным деформациям и напряжениям, а так же короблению конструкций.

3. Сочетание высоких деформаций и напряжений со снижением прочности и пластичности меди в диапазоне температур 400-600° (рис.7) может также привести к образованию трещин.

4. Высокая растворимость водорода в расплавленной меди, увеличивающаяся с ростом температуры (рис.7) в процессе кристаллизации протекающей с большими скоростями, приводит к образованию пор, а в ряде случаев и «водородной болезни».

5. Высокая жидкотекучесть меди и ее сплавов затрудняет сварку в положениях отличных от нижнего, почему и применяются подкладки.

6. Сварные швы имеют крупнозернистую структуру и низкую прочность. Изменение структуры и повышение прочности достигается термопластической обработкой.

Рис.7. свойства меди в зависимости от температуры:

а – прочность и пластичность; б – растворимость в меди водорода.

Перед сваркой металл и проволоку очищают от оксидов и загрязнений до металлического блеска и обезжиривают. Очистку кромок осуществляют механическим путем (наждаком, металлическими щетками), проволоку – травлением в растворе из азотной, серной и соляной кислоты с последующей промывкой в воде, щелочи и воде с просушкой. При толщинах более 5 мм делают V и X – образные разделки кромок.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ НЕПЛАВЯЩИМСЯ И ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДАМИ

При сварке неплавящимся электродом применяют лантанированный или тарированный вольфрам. Сварку ведут на постоянном токе прямой полярности. В качестве защитных газов применяют Ar, He и N₂. В зависимости от используемого защитного газа тепловложение в металл различно. Самое низкое при сварке в аргоне, в гелии в 2 раза выше, чем в аргоне и в азоте в 3-4 раза выше, чем в аргоне. Длина дуги при сварке в аргоне и гелии около 3 мм, при сварке в азоте достигает 12мм. Применяются так же смеси Ar + N₂, Ar + He и He + N₂.

При сварке неплавящимся электродом в качестве присадок применяется как чистая раскисленная медь, так и бронзы и медно – никелевые сплавы. Режимы по току, температуре подогрева и формам разделок в зависимости от толщины свариваемого материала приведены в таблице а.

Таблица а. «Рекомендуемые режимы сварки меди вольфрамовым электродом (стыковые соединения на медной водоохлаждаемой подкладке или флюсовой подушке)».

Толщина металла, мм	Зазор между кромками, мм	Ток, А	Напря- жение, В	Скорость сварки, м/ч	Темпера- тура подогрева, ºС	Расход газа, л/мин
В среде аргона
2	0…0,5	100…120	10…14	25…30	нет	10…12
4	1,0…1,5	380…400	12…16	30…35	300…400	12…14
В среде азота
2	0…0,5	70…90	20…24	20…22	нет	16…18
4	1,0…1,5	180…200	24…28	18…20	нет	18…20
10	1,0…1,5	400…420	31…36	12…14	400…600	22…24

Напряжения при сварке в среде аргона колеблется в пределе 10 – 16 В, а в среде N₂ в пределах 20 – 36 В.

Для сварки плавящимся электродом применяется постоянный ток обратной полярности. Этот процесс повышает производительность труда в 2 – 3 раза (по сравнению с вольфрамовым электродом). Однако качество швов при сварке плавящимся электродом получить значительно сложнее. К тому же применительно к латуням, бронзам и медно – никелевым сплавам сварка в защитных газах неплавящимся электродом предпочтительнее, т.к. при ней происходит меньшее испарение цинка, олова и других легирующих элементов.

ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА

Сварку плазменной дугой осуществляют на плазмотронах прямого действия с использованием смеси 15% Ar + 85%He. Для создания мелкозернистой структуры шва используют порошковую присадочную проволоку ППБрХТ 12 – 2. Таким плазмотроном возможно производить сварку стыков толщиной до 60 мм за один проход.

РУЧНАЯ СВАРКА ПОКРЫТЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

Сварка покрытыми электродами осуществляется на постоянном токе обратной полярности на режимах приведенных в таблице 7.

Таблица №7. «Ориентировочные режимы ручной однопроходной сварки меди покрытыми электродами».

Толщина металла (мм)	Диаметр электрода (мм)	Ток дуги (А)	Напряжение (В)
2 4 6 10	2 – 3 4 – 5 5 – 7 6 – 8	100 – 120 160 – 200 260 – 340 400 – 420	25 – 27 25 – 27 26 – 28 28 – 30

Сварку меди толщиной до 4мм ведут без разделки кромок, с 4 до 10 мм с односторонней разделкой, а с 10 мм и более – с Х – образной разделкой. Применяют электроды АНЦ/03М2, АНЦ/03М – 3, 3Т, АНЦ – 3. Предварительный подогрев 200-300°С делают при толщине металла 5 – 8мм, а при толщине 24мм – до 800°С. Для сварки латуней, бронз, и медно-никелевых сплавов применяют электроды ММЗ – 2, Бр1/ЛИВТ, ЦБ – 1, МН – 4 и др. Для заварки дефектов латуни применяются электроды АСЗ – 6 и ЭМЗ – 2. При этом для заварки дефектов большой массы требуется предварительный подогрев 250 – 300°С.

СВАРКА ПОД ФЛЮСОМ

Автоматическую сварку под флюсом осуществляют угольным (графитовым) и плавящимся электродами (рис.8). Сварка угольными электродами выполняется на постоянном токе прямой полярности с использованием стандартных флюсов АН – 348А, ОСЦ – 45, АН – 20. Кромки медных деталей собирают на медной подкладке, на стык укладывается пластина, которая служит присадочным материалом. Дуга горит между угольным электродом, заточенным в виде лопаточки и изделием, которое засыпано флюсом.

Рис.8. Схема механизированной сварки меди угольным электродом под флюсом.

Сварка с применением плавящегося электрода выполняется на постоянном токе обратной полярности под флюсом АН-200, АН-348А, ОСЦ-45, АН-М1. Сварка под керамическим флюсом ЖМ-1 производится на переменном токе.

При сварке меди используются медные проволоки МБ, М1 и бронзовые БрКМц 3 – 1, БрХТ 06 – 05, БрХ07. Этими же проволоками варятся и бронзы. При сварке латуней применяются флюсы АН-20, ФЦ-10, МАТИ-53 и проволоки бронзовые БрКМц 3 – 1, Бр ОЦ4 – 3 и латунные ЛК80 – 3. Кромки до толщин 25 мм не разделываются. Коэффициент расплавления электродной проволоки 20 Г/АЧ. Ориентировочные режимы сварки стыкового соединения меди под флюсом, проволокой d_э = 5мм, приведены в таблице 8.

Таблица №8

Толщина металла (мм)	Разделки кромок	Jq (A)	Uq (B)	Скорость сварки (м/час)
5 – 6	Без разделки	500 – 550	38 – 42	45 – 40
10 – 12		700 – 800	40 – 44	20 – 15
16 – 20		850 – 1000	45 – 50	12 – 8
25 – 30	U-образная	1000 – 1100	45 – 50	8 – 6

ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ СВАРКА

При электрошлаковой сварке меди применяют легкоплавкие флюсы системы Na F – LiF – CaF₂ (АНМ – 10).

Режим: Jсв = 1800 – 1000А, Uсв = 40 – 50 В. Пластины в шлаковую ванну из аналогичного материала подаются со скоростью 12 – 15 м/час. Механические свойства сварного соединения мало отличаются от свойств основного материала.

ГАЗОВАЯ СВАРКА

Газовая сварка используется при производстве ремонтных работ. Для сварки меди и бронз применяется нормальное пламя, для сварки латуней – окислительное. Флюсы применяющиеся при сварке меди содержат соединения бора (борная кислота, бура, борный ангидрид), которые с закисью меди образуют легкоплавкую эвтектику хорошо выходящую в шлаки. При сварке алюминиевых бронз применяют фториды и хлориды растворяющие Al₂O₃. При сварке меди применяют проволоку М1 и М2, а при сварке сплавов – аналогичную свариваемому материалу. После сварки производят подогрев до 300 – 400°С с проковкой и последующим отжигом для получения мелкозернистой структуры.

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА

Электронно-лучевая сварка обеспечивает сохранение высокой чистоты меди от примесей и получение мелкозернистой структуры. Она применяется при изготовлении электровакуумных приборов и элементов конструкций большой толщины.

СВАРКА НИКЕЛЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Никель и никелевые сплавы являются важнейшими конструкционными материалами благодаря их высокой коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности, пластичности при высоких и низких температурах.

Технический никель по ГОСТ 849 – 97 выпускается нескольких марок с содержанием Ni от 99,99% (марка НО) до 97,6% (НЧ). Наиболее распространены сплавы Ni с такими элементами как Cu, Cr, Mo, Al, Fe, Be. Все сплавы Ni делятся на 4 группы: конструкционные, термоэлектродные, жаростойкие и с особыми свойствами.

Конструкционные сплавы на медно-никелевой основе по ГОСТ 493 – 73 представлены монелем, мельхиором, нейзильбером и др. обладают высокими механическими и коррозионными свойствами. Термоэлектродные сплавы (хромель, алюмель, копель, константан, манганин) обладают высокой электродвижущей силой и большим электросопротивлением. Из жаростойких сплавов изготавливаются электронагревательные элементы. Сплавы с особыми свойствами: магнитными – пермаллой, упругими – инвар 36Н, ковар 29НК и др.

В данном разделе рассматривается сварка только технического никеля и его конструкционных сплавов.

При сварке никеля и его конструкционных сплавов необходимо учитывать следующие факторы:

1. При нагревании, особенно в жидком состоянии, Ni хорошо растворяет кислород, азот и водород (рис.9), а при остывании их растворимость резко падает. Это порождает образование в швах пор. Поэтому с одной стороны необходимо обеспечивать защиту расплавленного металла от контакта с О₂, N₂, H₂, а с другой стороны легировать шов раскислителями Ti, Cr, V уменьшающими количество пор и уменьшать количество Mn, Si, C, Fe в шве, увеличивающих пористость.

2. Кристаллизационные (горячие) трещины в сварных швах образующиеся из-за возникновения при остывании по границам кристаллов легкоплавких эвтектик Ni₃S и Ni₃P. Поэтому в основном металле и в сварочном материале содержание S и Р не должно превышать 0,005%. Для связывания S в металл добавляют до 5% Mn, 0,1% Mg и 0,06% Li.

3. Крупнозернистую структуру металла шва ограничивают введением в шов модификаторов Ti, Al, Mo измельчающих структуру, ограничением погонной энергии сварки, а при многопроходной сварке, последующие швы, накладываются после полного охлаждения предыдущего.

4. Из-за склонности некоторых сплавов (особенно Cr и Mo) к межкристаллитной коррозии, после сварки рекомендуется термическая обработка (нагрев до 700 – 800°С) с охлаждением на воздухе или в воде.

Рис.9. Растворимость водорода в никеле в зависимости от температуры.

Перед сваркой кромки и прилегающие к ним участки на расстоянии 20 – 30 мм тщательно зачищаются механическим путем до металлического блеска и затем обезжиривают. Сварочные материалы (а иногда и кромки) травят перед сваркой царской водкой содержащей азотную, серную и соляную кислоту, с последующей промывкой водой, нейтрализацией и просушкой.

Разделку кромок перед сваркой производят в соответствии с таблицей №9.

Таблица№9

СВАРКА В СРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ

Ручную сварку неплавящимся вольфрамовым электродом производят на постоянном токе прямой полярности без присадки или с применением присадочного материала (чаще всего проволоки НМц 2,5). Процесс выполняется при минимальной длине дуги и повышенной скорости сварки. Для предотвращения образования трещин в кратере производят плавное (с уменьшением тока) гашение дуги. Режимы ручной сварки никеля представлены в таблице

Таблица №10

Толщина металла мм	Диаметр электрода		Силы тока А
	Вольфрамого Мм	Присадочного мм
2	1,5 – 2	1,0 – 1,5	70 – 90
4	2 – 2,5	1,5 – 2,5	80 – 100
6	2 – 2,5	2,5 – 3	80 – 120
8	2,5 – 3	2,5 – 3	90 – 120
10	2,5 – 3	2,5 – 3	100 – 120

СВАРКА ПОКРЫТЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

Ручную сварку покрытыми электродами осуществляют постоянным током обратной полярности, используя электрода марки «Прогресс – 50» со стержнем из проволоки НШ и ОЗЛ – 22 со стержнем НМцАТК 1 – 1,5 – 2,5 – 0,15. Рекомендуется проводить сварку на толщинах до 4 мм за один проход, а длинные швы выполнять отдельными участками. Режимы сварки обмазанными электродами приведены в таблице №11.

Таблица №11 «Ориентировочные параметры покрытых электродов и режимы ручной сварки никелевых сплавов»

Толщина металла мм	Диаметр стержня электрода мм	Длина электрода мм	Сила тока А
до 2 2 – 3 3 – 5 5 – 8 8 – 12	2 2 – 3 3 – 4 4 4 – 5	150 – 200 200 – 250 250 – 300 300 300 – 400	30 – 50 40 – 100 80 – 140 90 – 100 100 – 165

СВАРКА ПОД ФЛЮСОМ

При сварке никеля и никелевых сплавов под флюсом состав электродной проволоки подбирается близким к составу основного металла. В качестве флюсов используются низкокремнистые основные или бескислородные фторидные марок ЖН – 1, АНО – 1, АНФ – 22. Сварка выполняется на постоянном токе обратной полярности. Для ведения процесса на минимальных погонных энергиях применяют проволоки небольшого диаметра 2 – 3мм и вылет электрода делают в 1,5 – 2 раза меньше, чем на сталях. Сварные соединения обладают высокими показателями механических свойств.

ГАЗОВАЯ СВАРКА

Газовую сварку используют для получения соединений технического никеля и медно-никелевых сплавов. Сварка производится на нормальном пламени с применением присадочной проволоки того же хим. состава, что и основной металл или с дополнительным легированием небольшим количеством марганца, магния, кремния и титана. Технический никель сваривают без флюса, а сплавы – с флюсом, не содержащим бор. Показатели механических свойств сварных соединений при этой технологии существенно ниже показателей основного металла.

СВАРКА ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ

Титан это химически активный металл, диамагнетик, обладающий низкой плотностью (4,5 г/см ³), теплопроводностью (15,1 Вт/мК), прочностью (σв= 245 – 345 МПа) но высокой пластичностью (δ = 30 – 50) и модулем упругости Е = 10800 МПа. Титан обладает высокой коррозионной стойкостью в различных средах. В чистом виде титан применяется ограниченно, а в сплавах широко, в том числе и как конструкционный материал.

Все сплавы титана делятся на три группы: α – сплавы, αβ – сплавы, β – сплавы.

α-сплавы получаются легированием титана Al и Sn. β-сплавы легированием Cr, Fe, Cu, V, Mo, Ta.

К αβ – сплавам относятся сплавы титана, с комплексным легированием содержащие при комнатной температуре α и β фазы. Почти все α – сплавы не упрочняются термообработкой. Упрочнение αβ – сплавов термообработкой достигает эффекта тем выше, чем больше в сплаве содержание β – фазы. Для сварки конструкций наиболее приемлемы α – сплавы титана или β – сплавы с невысоким содержанием β – стабилизаторов.

К широко известным свариваемым отечественным сплавам поставленным по ГОСТ 19807 – 74 относятся ПТ – 3В (σв ≥ 600 МПа ), ПТ-7М (σв≥ 400 МПа), ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4 (σв≥ 400, 500 и 600Мпа).

При рассмотрении свариваемости титановых сплавов необходимо учитывать следующее:

1. Химическая активность титана возрастающая по мере роста его температуры требует в процессе сварки защищать от взаимодействия с воздухом не только шов, но и основной металл разогретый до температур более 400-500°С.

2. Так как растворяемые в титане и его сплавах кислород, азот, водород и углерод упрочняют и охрупчивают материал (рис.10 а) их содержание в проволоках ограничиваются величинами (в % по массе): кислорода не более 0,12; азота не более 0,04; водорода не более 0,0025, а в основном металле на сотую долю больше.

3. Растворимость водорода в титане по мере роста температуры увеличивается и является максимальной при температуре <1000°С (рис 10 б), а при комнатных температурах стремится к 0. В то же время при комнатных температурах водород может диффузионно перемещаться по кристаллической решетке металла и ликвировать в места раздела химической однородности металла т.е. к линиям сплавления шва и основного металла. Это приводит к охрупчиванию этих зон и даже появлению в них трещин.

рис.10

4. Удельное электросопротивление титана выше в 1,6 раза, чем у алюминия и в 4 раза выше, чем у железа. Поэтому при механизированной сварке плавящимся электродом вылет его должен быть значительно меньше чем в аналогичных случаях у стали.

5.Если α – сплавы имеют хорошую свариваемость, то при сварке αβ-сплавов необходимо обращать внимание на количество

β – стабилизаторов в металле. С увеличением β – стабилизаторов выше определенного предела в металле ЗТВ появляется конгломерат фаз (α – β – ω), что ведет к увеличению хрупкости. Для улучшения свойств подобных соединений необходимо после сварки производить термообработку конструкций (нагрев 750 – 800°С, с охлаждением печью до 550°С и далее на воздухе).

Высокая химическая активность титана и его сплавов при повышенных температурах ( 500°С и более) требует высокой эффективности газовой защиты. Не все горелки способны обеспечить такую эффективность. Поэтому, прежде чем приступить к сварке титана, необходимо проверить горелку на пятно по ОСТ 5Р.9917-2002. Кроме того горелка должна быть оборудована устройством обеспечивающим газовую защиту остывающей части шва. Так же сварка металла в толщинах до 6мм не может производиться без защиты обратной стороны шва и основного металла.

Большая чувствительность титана и его сплавов к грязи, в том числе и в закатах, требует приемочного контроля проволок с применением вихретоковых методов. Цеха, где производится сварка титановых конструкций, не должны иметь сквозняков со скоростью выше 0,5м/сек. В цехах должна производиться постоянная мокрая уборка. Персонал на рабочих местах должен находиться в чистой светлой спецодежде и перчатках.

Кромки под сварку обрабатываются только механически. При наличии газового реза, механическое удаление альфированных слоев с кромок реза должно выполняться на глубину 2 – 3мм.

Наиболее распространены на титане и его сплавах сварка в среде защитных газов и, в ограниченных объемах применяется сварка под флюсом, электрошлаковая, плазменно-дуговая и электронно-лучевая сварка.

Перед сваркой, как и в предыдущих случаях разделки тщательно зачищают и промывают ректифицированным спиртом.

СВАРКА В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ

Ручная аргонно-дуговая сварка титана производится вольфрамовым электродом (тарированным или лантанированным) на постоянном токе прямой полярности в аргоне или гелии. Соединения малых толщин (до 5 мм) выполняется без разделки кромок, при больших толщинах с разделкой и подачей присадки.

Сварка неплавящимся электродом и сварка плавящимся электродом выполняется механизированным способом. При этом неплавящимся электродом за один проход можно заварить погруженной дугой без присадки металл толщиной до 20 мм.

Сущность сварки погруженной дугой состоит в том, что неплавящийся электрод укрепляется на механизме перемещения до положения, при котором напряжение дуги соответствует заданной величине. Величина опорного напряжения (заданного) устанавливается перед сваркой. В начальный момент сварки дуга зажигается над поверхностью стыкуемых кромок пластин, а затем при малых напряжениях (менее 9В) и больших токах (более 700А) углубляется внутрь стыка таким образом, что над поверхностью виден только вольфрамовый электрод.

Механизированная сварка плавящимся электродом производится на постоянном токе обратной полярности. Процесс сварки плавящимся электродом производится на больших токах и в ряде случаев более производителен. Формирование усиления при сварке плавящимся электродом хуже, чем при сварке неплавящимся.

Механизированная сварка неплавящимся и плавящимся электродом производится и в аргоне и в гелии. Виды подготовки кромок под сварку и режимы сварки в таблице 12.

Таблица №12

Все процессы автоматической сварки плавящимся и неплавящимся электродом сопровождаются защитой шва и основного металла газозащитными приставками, в которые подается инертный газ. Длина приставок достигает полуметра. Все оборудование для сварки титана (посты ручной сварки, полуавтоматы, автоматы) оснащено системами обеспечивающими подачу защитного газа за 15 – 20с до зажигания дуги и выключающие подачу защитного газа через 30 – 50 сек после выключения дуги.

СВАРКА ПОД ФЛЮСОМ

Сварка титановых сплавов возможна и под слоем безкислородных флюсов серии АНТ, системы CaF₂ – BaCl – NaF. Защита металла от окружающей газовой атмосферы в данном случае осуществляется парогазовым пузырем возникающим над плавильным пространством. Однако такой пузырь эффективно обеспечивает защиту при относительно небольших тепловложениях позволяющих варить небольшие толщины (порядка 12мм). При больших толщинах эффективность защиты нарушается и поэтому объемы сварки под флюсом весьма ограничены. По этим же причинам не применяется ручная сварка покрытыми электродами.

ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ СВАРКА

Применение электрошлаковой сварки титана эффективно в толщинах от 40мм и более. При этом используют безкислородные солевые флюсы типа АНТ – 2, АНТ – 4, АНТ – 46. Поверхность шлаковой ванны защищают аргоном, а флюс перед сваркой прокаливают при температурах 300 – 400°С.

Режимы электрошлаковой сварки титана приведены в таблице 13.

ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА ТИТАНА

Титан варится как плазмотронами прямого действия на токах до 500А, так и плазмотронами косвенного действия, т.е. микроплазменной сваркой на токах < 200А. Во всех случаях в качестве рабочего газа (т.е. плазмообразующего) используется гелий, или его смеси с аргоном.

На плазмотронах прямого действия варятся стыки без разделки кромок толщиной до 15мм. На плазмотронах косвенного действия осуществляется сварка пластин с толщиной до 1,5мм.

Таблица №13

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА

Электронно-лучевая сварка титана по технике исполнения мало чем отличается от сварки других материалов. В основном она применяется при сварке стыков толщиной до 160мм. Из дефектов, которые встречаются при ЭЛС, наибольшего внимания заслуживают подрезы на кромке шва и пористость металла шва. Подрезы на практике «разглаживаются» вторым проходом луча колеблющегося в поперечном направлении к шву. Поры в швах пропадают при тщательной очистке кромок перед сваркой. Возможность сварки αβ – сплавов из-за образования крупного зерна в ЗТВ и падению из-за этого ударной вязкости, в каждом конкретном случае необходимо решать отдельно.

ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ ТУГОПЛАВКИХ ХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Во многих отраслях промышленности в качестве конструкционных материалов используется цирконий, гафний, ниобий, тантал и молибден, а так же значительно реже ванадий и вольфрам в виде комбинированных сварных соединений. Поэтому рассмотрим только пять первых.

Во – первых температура плавления этих материалов (за исключением циркония имеющего температуру плавления 1850°С) значительно превосходят 2000 °С и поэтому их сварка нуждается в концентрированных источниках тепла.

Во – вторых цирконий и гафний металлы имеющие полиморфные превращения α – фазы с гексогональной плотноупакованной решетки в β – фазу с объемноцентрированной решеткой. Температура полиморфных превращений у циркония 865°С (близкая к титану), у гафния 1760°С. Ниобий, тантал и молибден полиморфных превращений не имеют.

В – третьих, как и у титана, с повышением температуры у этих материалов повышается химическая активность и растворимость водорода, кислорода и азота в металле. В то же время повышение содержания водорода, кислорода и азота в цирконии, гафнии, ниобии, тантале и молибдене приводит к повышению прочности этих материалов, падению их пластических свойств и повышению хрупкости (рис.11, 12).

Поэтому предъявляются тщательные требования к содержанию газов воздуха в основном металле и сварочных материалах. Так у молибдена содержание примесей в основном металле и проволоке ограничивается O₂ < 0.0002%, N₂ < 0.0001%, C < 0,003%). Поэтому же при сварке в сварочную ванну вводят активные раскислители Ti; Се; Zr.

рис.11, 12

Рассматриваемые материалы по свариваемости можно разделить на две группы.

К первой группе относятся материалы, которые при соблюдении технологических требований на сварку и сертификатных требований на поставку материалов (свариваемых и сварочных) хорошо свариваются. К эти материалам относятся цирконий, гафний, ниобий и тантал.

Ко второй группе относится молибден, сварка которого вызывает серьезные затруднения, как из-за его склонности к образованию кристаллизационных трещин, так и из-за охрупчивания металла шва при сварке.

Для понижения содержания O₂, N₂ и H₂ в инертных газах (аргоне высшего сорта поставляемого по ГОСТ 10157 – 79 и гелии марки А поставляемого по ТУ 51 – 689 – 75) их подвергают дополнительной очистке, пропуская их через силикагель, алюмогель и нагретую до 900 – 1000 °С титановую стружку.

Сварка обеих групп материалов производится дуговым способом в среде защитных газов и электронно-лучевым способом.

Сварка в защитных газах ведется как неплавящимся (вольфрамовым) электродом, так и плавящимся. Сварка неплавящимся электродом производится на постоянном токе прямой полярности в основном в камерах с контролируемой атмосферой. В табл.14 представлены параметры режимов такой сварки циркония. В работе приводятся аналогичные режимы по камерной сварке гафния, выполняемой неплавящимся электродом на постоянном токе обратной полярности.

Таблица №14

Режимы сварки ниобия и тантала малых толщин выполняемым на постоянном токе прямой полярности вольфрамовым электродом со струйной защитой лицевой части шва и канальной защитой обратной стороны шва приводится в табл 15.

Сварку молибдена успешно осуществляют в гелии высокой чистоты на воздухе как неплавящимся вольфрамовым электродом, так и плавящимся. Металл толщиной до 3 мм сваривают вольфрамовым электродом на постоянном токе прямой полярности на режиме: J = 425 A; Ucв = 18 В; Vcв = 18 м/час.

Таблица №15

Сварку больших толщин производятся плавящимся электродом диаметром 1-1,2 мм на постоянном токе обратной полярности на режиме: Jcв = 400 - 500 A; Uсв= 32 В; Vсв = 30-40 м/час; Vпп=600-900 м/час. При этом электродная проволока предварительно активируется нанесением на нее покрытия из хлористого цезия.

Известна технология сварки гафния в камере, заполненной гелием или аргоном, вольфрамовым электродом на постоянном токе прямой полярности, которая выполняется на режиме Jcв=125-135A; Ucв = 14 -18В; Vсв= 10 м/час.

Электронно-лучевая сварка (в дальнейшем ЭЛС) тугоплавких и химически активных металлов осуществляется путем переплавления основного металла. Наряду со стыковой сваркой возможно выполнение нахлесточных прорезных и пробочных швов. Большое значение имеет дегазация металла шва при ЭЛС в камере с вакуумом 10ˉмм рт. ст. Принципиально ЭЛС сварка за два прохода позволяет сваривать рассматриваемые металлы толщиной до 100мм.

Существует технология сварки трубок из циркония толщиной 0,3-0,5мм со следующими параметрами режиме Jcв=4-12мA; U= 19-20кВ; Vсв = 27м/час.

Режимы ЭЛС пластин молибдена толщиной до 3мм приведены в табл.16, а ниобиевого сплава малых толщин в табл.17

Таблица №16

Таблица №17