1. Выбор режимов ручной электродуговой сварки в условиях эксплуатации судна

1. Цель работы

Определение области применения и основных элементов режима электродуговой сварки на судах, приобретение практических навыков в их выборе для решения конкретных задач.

2. Знания и практические навыки, получаемые при выполнении работы

В результате выполнения работы курсант должен:

знать — технологические возможности электродуговой сварки, конструктивные особенности сварных соединений, основные элементы режима, расчетные формулы для определения наиболее важных из них, применяемые в условиях эксплуатации судна методы контроля качества сварки;

уметь — подобрать необходимую конструкцию сварного соединения, рассчитать основные элементы режима, выбрать наиболее надежный метод контроля качества сварки.

3. Общие положения

3.1. Область применения сварки на судах

При выполнении работ по восстановлению работоспособности вышедшей из строя детали или изготовления вместо нее новой важную роль играет сварка – технологическая операция получения неразъемных соединений с межатомной связью, возникающей при оплавлении или пластическом деформировании соединяемых деталей по прилегающим поверхностям. На морских судах имеется оборудования для реализации лишь некоторых видов сварки: электродуговой, газовой и холодной. Дополнительно силами экипажа можно изготовить также оборудование для сварки трением на токарном или сверлильном станках.

Сварка имеет ряд преимуществ по сравнению с пайкой, склеиванием. Она обеспечивает равнопрочность соединения свариваемого материала, снижение на 15…20 % веса конструкции, отсутствие жестких требований к качеству подготовки соединяемых поверхностей и т.п. В тоже время она имеет и ряд существенных недостатков: нежелательные изменения строения и структуры материала свариваемых деталей в процессе нагрева и всевозможное разупрочнение, достаточно большие сварочные деформации, высокие температуры нагрева и связанная с этим пожароопасность и т.п.

Из перечисленных выше разновидностей электродуговая сварка играет решающую роль. В результате ее применения в сварном изделии формируется сварное соединение – совокупность характерных зон, в которых под воздействием сварки произошло изменение строения, структуры и свойств материала. При этом, в зависимости от выбранных элементов режима сварки его строение и размеры могут быть различными.

К числу основных элементов режима электродуговой сварки относятся: тип и марка источника питания дуги и применяемого электрода, конструкция сварного соединения, сила сварочного тока и число проходов, температура подогрева детали перед сваркой и методы контроля ее качества.

3.2. Оборудование для ручной дуговой сварки

Н еобходимо сразу же отметить, что вопрос выбора этого элемента режима может возникнуть только на стадии постройки судна или замены вышедшего из строя источника питания. В качестве источников питания (ИП) на судах обычно применяют сварочные трансформаторы или выпрямители, при включении которых в электрическую цепь между деталью и электродом возникает дуга (рис. 1.1). Стоимость последних несколько выше из-за наличия блока выпрямителя, но этот недостаток полностью компенсируется их более широкими технологическими возможностями: устойчивее горит дуга, шире диапазон толщин свариваемого металла.

При сварке на постоянном токе важно соблюсти требуемую полярность (см. табл. 1.1). При "прямой" полярности деталь подключают к положительному полюсу источника, при "обратной" – к отрицательному.

Важной характеристикой ИП является номинальное значение силы сварочного тока (315 или 500 А). Этим током можно осуществлять сварку в течение длительного времени. У отечественных источников питания она отражается в числовой части марки: сварочный трансформатор ТДМ-505, сварочный выпрямитель ВД-313.

В последние годы все шире внедряются переносные малогабаритные сварочные инверторы типа "Discovery", “OZAS”, “MK300A Professional” и др., которые при массе до 5 кг позволяют выполнять в любой точке судна сварку силой тока до 150 А.

Стационарный судовой сварочный пост следует комплектовать ИП с I_ном = 500 А, которая кратковременно может быть увеличена до 600…625 А. Такие устройства позволят сваривать металл большой толщины.

3.3. Конструктивное оформление сварных соединенийи подготовка кромок перед сваркой

Конструктивно сварные соединения делят на стыковые, угловые, тавровые, нахлесточные, телескопические и др. (рис. 3.2). Наиболее рациональными являются стыковые соединения, в которых один свариваемый элемент служит продолжением другого. Поэтому в нем напряжения от внешних нагрузок равномерно распределяются по всему сечению шва. Сварные изделия с нахлесточными и телескопическими соединения увеличивают массу конструкции на 10…15 %.

В ажную роль играет также подготовка кромок соединяемых элементов перед сваркой. Для тонколистового материала производят его отбортовку. При большей толщине выполняют разделку на станках или с использованием зубил, выдерживая между соединяемыми поверхностями угол 55⁰.

3.4. Тип и марка электрода

Тип и марка электрода выбираются с учетом требований к материалу шва сварного соединения. Для силовых конструкций, работающих под воздействием силовых нагрузок, главным является обеспечение требуемого комплекса механических свойств. Для деталей, работающих в условиях воздействия агрессивных сред, более важен его химсостав. Износостойкие поверхности деталей наплавляют материалами с высокой твердостью.

В первом приближении сведения о назначении электродов дает его сокращенная маркировка, содержащая 4 блока информации, например:

Электрод ОЗН-300 – 5,0 – 3 – ГОСТ 9467-75,

где ОЗН-300 – марка электрода;

5,0 – диаметр металлического стержня электрода, мм;

1 – показатель качества электрода (1, 2 или 3); чем больше число, тем меньше содержание вредных примесей;

ГОСТ 9467-75 – номер государственного стандарта, требованиям которого должен в целом соответствовать электрод.

Ключевым в расшифровке марки электрода является определение его диаметра, который всегда представлен в виде десятичного числа с одним знаком после запятой. После нахождения диаметра все остальные блоки информации выявляются без затруднений.

Полные сведения об электродах приведены на сертификатах, обычно прилагаемых к пачкам электродов, а также в различных справочных изданиях (табл. 1.1).

3.5. Выбор диаметра электрода и силы сварочного тока

Под диаметром электрода d_эл понимают диаметр его металлического стержня. Он зависит от толщины свариваемого материала и возрастает с ее увеличением (табл. 2.2). Однако при большей толщине диаметр электрода остается стабильным и не превышает 6 мм, так как дальнейший рост его массы резко увеличивает физическую нагрузку сварщика, приводит к быстрому утомлению и нестабильности дуги из-за дрожания рук.

Сварочный ток I_св. (А) при сварке в нижнем положении можно определить как по данным сертификата или таблицы 2.2, так и по простейшим эмпирическим формулам:

где d_эл – диаметр металлического стержня электрода, мм.

Выполняя, вертикальные швы, указанную силу тока уменьшают на 10…15%, а при сварке в верхнем положении – на 15…20%. Дополнительно следует учесть, что швы в верхнем положении варят электродом диаметром не более 4 мм, чтобы избежать формирования сварочной ванны больших размеров и стекания расплавленного металла.

Таблица 1.1 – Электроды для ручной дуговой сварки и наплавки

(по ГОСТ 9467-75, 10051-75, 10052-75, нестандартные и импортные)

Марка электрода	Тип электрода	Род тока	Область применения
Для углеродистых сталей
ОММ-5	Э42	Постоянный	Низкоуглеродистая сталь малых и средних толщин
АНО-4	Э46	Переменный и постоянный	Ответственные конструкции из низкоуглеродистой стали для работы при статических и динамических нагрузках
АНО-13 М
АНО-ТМ70	Э70
ОК 78.16 (Швеция)
УОНИ-13/55	Э50А	Постоянный обратной полярности	Ответственные конструкции из низко- и среднеуглеродистых сталей, заварка дефектов литья
Для легированных сталей
ОЗЛ-14	Э-06Х13Н	Переменный и постоянный	Детали трубопроводов, выхлопных систем, узлов камер сгорания из сталей типа 12Х18Н9Т
УОНИ/10Х13	Э-12Х13	Постоянный обратной полярности	Элементы водяных насосов, крепежных деталей из сталей типа 20Х13, 12Х17
ОК 68.15 (Швеция)
ЦЛ-14	Э-09МХ	Переменный и постоянный обратной полярности	Трубопроводы, детали турбин, крышки цилиндров из сталей типа 15ХМ
ОК 76.18 (Швеция)
НИАТ-5	Э-10Х1М1НФБ	Постоянный обратной полярности	Детали из высокопрочных сталей типа 30ХГСА

Продолжение табл. 1.1

Для чугунов
ОЗЧ-1 МНЧ-1	Монель-металл	Постоянный обратной полярности	Холодная (без предварительного подогрева) сварка
ОК 92.86 (Швеция)
ЦЧ-1 ОМЧ-1	-	Переменный и постоянный обратной полярности	Холодная и полугорячая (предварительный подогрев до 300…4000С) сварка
Для меди и ее сплавов
«Комсомолец-100»	-	Постоянный обратной полярности	Листовая медь М0, М1, М2, М3, сварка меди со сталью
ОК 94.55 (Швеция)	-	Постоянный обратной полярности	Листовая медь М0, М1, М2, М3, сварка меди со сталью
ЗТ			Детали из сплава МНЖ5-1, сварка сплава со сталью
Бр-1/ЛИВТ	-	То же	Детали из бронз БрОФ10-1, БрАМц9-2, БрОЦС5-5-5 и т.п.
Для алюминия и его сплавов
ОЗА-1	Алюминий	Постоянный обратной полярности	Детали из алюминия
ОК 96.10 (Швеция)
ОЗА-2	Силумин		Детали из сплавов алюминия
ОК 96.50 (Швеция)
Для наплавки металла
ОЗН-300У	ЭН-11Г3	Переменный и постоянный обратной полярности	Детали, подверженные износу и смятию: валы, оси и т.п.
ЦИ-1М	ЭН-80В18Х4Ф	То же	Режущий инструмент: резцы, шаберы
ЦН-19	ЭН-15Х28Н10С3ГТ	Постоянный обратной полярности	Уплотняющие поверхности судовой арматуры, клинкетов, штампы
Т-590	ЭН-320Х25РС2Г	Постоянный и переменный	Быстроизнашивающиеся детали из стали и чугуна, работающие без ударной нагрузки (рабочие колеса землесосов и т.п.)

Таблица 1.2 – Зависимость диаметра металлического стержня электрода

и силы сварочного тока в нижнем положении от толщины свариваемого материала

Толщина свариваемого материала, мм	Диаметр стержня электрода, мм	Сварочный ток, А
1,5…1	1,6	30…50
1…2	1,6 – 2,5	50…80
2…5	2,5 – 4	80…180
5…10	4 – 5	180…250
10…20	5 – 6	250…340

3.6. Определение минимального числа проходов

При ручной дуговой сварке материала толщиной δ ≥ 4…6 мм не удается, как правило, проплавить его по всей толщине за один проход. Поэтому на станках или с помощью зубила производят разделку кромок соединяемых элементов и используют многопроходную сварку. Минимальное число проходов, обеспечивающих получение качественного шва, рассчитывают как

где n = 1, 2, 3… - минимальное число проходов;

k – коэффициент усиления шва; F_разд – площадь разделки, мм ².

Если сварку ведут с меньшим числом проходов, то в металле шва появляются раковины, несплошности и другие дефекты, резко снижающие качество соединения.

Ш вы с усилением (k = 1,1…1,15) используют в том случае, если сварное соединение должно выдерживать большие силовые нагрузки (рис. 1.2). Ослабленные швы (k < 1) применяют для обеспечения гидравлической плотности сосудов, работающих без избыточного давления. Для упрощения расчетов угол разделки в стыковых соединениях можно считать равным 60 ⁰, а для остальных - 90⁰.

С аналогичной задачей приходится сталкиваться и при выполнении распространенной и важной работы на судне – заварке трещин. Если она производится в листовом материале, то вначале концы трещины засверливают сверлом Ø8 мм (рис. 1.3 а), а затем обязательно производят их разделку по всей длине в соответствии с рис. 1.2 и заварку.

В сплошном материале крупных деталей разделка усложняется, так как после засверливания концов трещины (рис. 3.3 б) необходимо не только произвести по всей длине ее вырубку, но и обеспечить плавное сопряжение поверхностей по радиусу ~ 5 мм с целью уменьшения концентрации напряжений (рис. 3.3 в).

3.6. Определение температуры подогрева деталей перед сваркой

Чтобы избежать при сварке сталей и чугунов образования хрупких закалочных структур и трещин в зоне термического влияния, необходимо уменьшить скорость охлаждения металла путем подогрева изделия перед сваркой до температуры:

,

где t_подогр – температура подогрева, ⁰ С,

С_экв = С + 0,5 Р + 0,3 (W + Si) + 0,25 Mo + 0,2 (Cr + V) + 0,15 Mn + 0,1 (Al + Nb) + 0,05 (Ni + Ti) – эквивалентное содержание углерода, %,

d - толщина металла в месте сварки, мм.

На практике с достаточной точностью содержание легирующих элементов можно определить по марке свариваемого материала. Так, сталь 40ХНМ содержит 0,4 %С, по 1 % хрома, никеля и молибдена. Тогда эквивалентное содержание углерода для нее равно:

Необходимо учитывать, что в условиях эксплуатации судна возможен подогрев только небольших деталей – в топочных пространствах котлов, паяльными лампами или пламенем газовой горелки.

3.7. Контроль качества сварки на судах

При нахождении судна в рейсе для контроля качества сварки используют неразрушающие методы контроля: внешний осмотр, капиллярную дефектоскопию, гидравлические и воздушные испытания.

Внешний осмотр проводят невооруженным глазом или при небольших увеличениях (до10 раз) сразу после сварки. Сбив шлаковую корку, контролируют такие наружные дефекты, как положение сварочного шва в пространстве, равномерность его ширины, отсутствие трещин, прожогов, подрезов и др.

Несмотря на кажущуюся простоту, внешний осмотр позволяет получить ценную информацию и на ее основе дать предварительное заключение о качестве всей детали и наметить, при необходимости, места для более глубокого обследования.

Капиллярные методы контроля, основанные на использовании капиллярного эффекта, отличаются простотой, возможностью контроля любых материалов, высокой производительностью и низкой стоимостью. На его качество сильно влияет чистота поверхности. Проверяемый участок должен быть очищен от ржавчины, шлаковой корки, окисной пленки, защитных лакокрасочных покрытий, обезжирен бензином или ацетоном.

В условиях эксплуатации судна чаще всего используют две его разновидности – цветной метод и мело-керосиновую пробу. Последняя позволяет обнаруживать несплошности размером 0,1 мм и более. Цветной метод выявляет более мелкие дефекты: глубиной 0,03…0,04 мм и более при ширине не менее 0,01 мм.

При контроле цветным методом на очищенную поверхность детали наносят жидкость, проникающую в дефектное место (трещины, поры). По истечении 5…20 мин избыток проникающей жидкости с детали удаляют, а на поверхность наносят адсорбент (проявитель) – контрастный материал, который, действуя, как фильтровальная бумага, вытягивает часть жидкости из поверхностных дефектов. Нагрев детали повышает чувствительность контроля, т.к. разница в объемном расширении детали и проникающей жидкости заставляет последнюю в значительном количестве выходить на поверхность детали. Проникающую жидкость и проявляющие составы выбирают с учетом задач контроля и ответственности судовой детали.

Предварительным этапом при мело-керосиновой пробе является нанесение суспензии мела в 10%-ним водном растворе клея на одну из поверхностей сварного изделия (чаще всего – наружную поверхность емкостей). После просушки в контролируемую емкость наливают керосин (дизельное топливо) и дают выдержку до 1…1,5 часов. Дефекты, при их наличии, выявляются в виде темных линий, участков и т.п.

Гидравлические испытания под давлением проводят для ответственных деталей СТС, внутренние полости которых можно герметизировать с помощью сопрягаемых с ними деталей и заглушек. К ним, прежде всего, относятся трубопроводы и их арматура, головки поршней, крышки цилиндров и др.

Вначале внутреннюю полость заполняют водой или рабочей жидкостью системы, устанавливают заглушку и подключают к ручному плунжерному насосу. Использование стационарных насосов при гидравлических испытаниях категорически запрещено. Затем постепенно, в течение 5…10 мин начинают повышать давление до пробного р_пр, руководствуясь техническими данными контролируемой детали (табл. 3.3). Результаты сварки признаются удовлетворительными, если имеют место стабильные показания манометра или происходит плавное снижение давления в системе.

Таблица 1.3 – Пробные давления,

создаваемые при испытании на судах деталей после сварки

Наименование детали или системы	Пробное давление рпр
Крышка и втулка цилиндра, головка поршня (полости охлаждения)	0,7 МПа
Блоки цилиндров, корпуса выпускных клапанов, охладители, навешенные на ДВС насосы (полости охлаждения)	1,5 р, но не менее 0,4 МПа
Топливные, масляные и напорные трубопроводы циркуляционной системы смазки	То же
Трубопроводы приемной осушительной и балластной систем	0,4 МПа
Напорные топливные трубопроводы к паровым котлам, ДВС, газовым турбинам	1,5 р
Змеевики подогрева топлива, смазочного масла и жидкого груза	1,5 р, но не менее 0,6 МПа
Грузовые и зачистные напорные трубопроводы	1,5 р

Испытания конструкций наливом воды широко применяют при контроле герметичности сварных швов значительных по размерам емкостей: топливных, балластных и водяных танков, котлов, различных сосудов и т.п. Контролируемый объем заполняют водой; длительность испытаний определяется временем, необходимым для осмотра конструкции, но не превышает 1 часа. При осмотре обращают особое внимание на течь и просачивание воды, отпотевания. Чаще всего нарушается герметичность не только сварных швов, но и участков деформации конструкции, коррозионного воздействия среды.

Контролировать герметичность емкостей удобно также по уровню воды в трубопроводе, находящемся выше верхней точки емкости (мерной трубке, воздушной трубке). Если уровень жидкости понижается (это особенно хорошо заметно в трубопроводах с малой площадью сечения), то имеется нарушение гидроплотности и необходимо искать место дефекта.

Испытания поливом водой используют для конструкций, которые трудно или невозможно заполнить жидкостью. Испытываемую конструкцию поливают из пожарного брандспойта водой давлением более 0,1 МПа (высота столба воды не менее 10 м). Скорость перемещения струи вдоль шва – 1 м/мин, диаметр выходного отверстия брандспойта – не менее 15 мм, расстояние до конструкции – не более 2 м. При наличии неплотностей с противоположной стороны соединения появляются капли воды, запотевание.

Испытания сжатым воздухом (обдувом) применяют вместо полива водой, если обстоятельства не позволяют проводить гидравлические испытания (вследствие низкой температуры, наличия портящегося от воды груза и др.).

Струю сжатого воздуха под давлением 0,4…0,5 МПа по гибкому шлангу с наконечником направляют перпендикулярно сварному шву, на противоположную сторону которого предварительно наносят мыльный раствор. При наличии дефектов появляются пузыри. Зимой, чтобы мыльный раствор не замерз, рекомендуется добавлять в него этиловый спирт или этиленгликоль.

Следует в заключении отметить, что обнаруженные дефекты нужно оценить в свете их влияния на работу детали, разделив на допустимые и недопустимые. Для недопустимых дефектов должна быть намечена технология их устранения или принято решение об изготовлении новой детали.