Материаловедение и технология конструкционных материалов
.pdf472 Раздел V. Сварочное производство
трещины) и дефекты, возникшие в процессе эксплуатации (тре щины, поломки деталей и др.).
В общем случае качественно выполненное сварное соеди нение из чугуна должно удовлетворять по меньшей мере трем основным требованиям: обладать механической прочностью, плотностью, легко обрабатываться обычным режущим инстру ментом. Однако особенности строения и физико-химических свойств чугуна чрезвычайно усложняют выполнение перечис ленных требований.
Сварка чугуна затруднена по следующим причинам:
□при высоких скоростях охлаждения, отличающих боль шинство способов сварки, в металле шва или околошовной зоне появляются участки отбеленного чугуна, т.е. цементитные вы деления той или иной формы в различном количестве. Высокая твердость этих участков очень затрудняет их механическую об работку;
□в условиях местного неравномерного нагрева металла, ха рактерного для сварки, появление значительных собственных напряжений вызывает образование трещин в металле шва и око лошовной зоны из-за малой прочности и пластичности чугунов Вообще;
□интенсивное газовыделение из сварочной ванны (образова ние СО, S02, выделение Н2 и др.) является причиной возникно вения пор в наплавленном металле;
□повышенная жидкотекучесть чугунов и почти мгновенный их переход из твердого состояния в жидкое позволяют свари вать чугун только в нижнем положении, часто с предваритель ной заформовкой участка сварки.
Наиболее эффективно предотвращают появление отбеленных
изакаленных участков металла, трещин, а также пористости чугуна его подогрев и замедленное охлаждение после сварки. Уменьшение температурного градиента, термических напряже ний и скорости охлаждения металла в этом случае приводит
кзначительному улучшению структуры металла, более полно му распаду цементитных образований.
Многочисленные способы холодной сварки чугуна предполага ют широкое использование металлургических и технологических средств воздействия на металл в целях повышения качества со единений.
18. Теоретические основы сварки |
473 |
К металлургическим средствам воздействия можно отнести получение:
□ферритно-перлитной структуры, характерной для мало углеродистой стали, — путем связывания избыточного углерода
вдисперсные карбиды, более прочные, чем цементит, равно мерно распределяющиеся в металле; максимального окисления избыточного углерода или его «выжигания» при помощи кисло родосодержащих компонентов сварочных материалов;
□структуры, свойственной серому чугуну, — путем насыще ния металла углеродом и другими графитизирующими элемен тами.
18.4.4. Свариваемость меди и сплавов на ее основе
Трудности, возникающие при сварке меди, связаны с ее вы сокой теплопроводностью и пониженной стойкостью к образо ванию кристаллизационных трещин и пор.
Высокая теплопроводность меди, почти в шесть раз больше, чем у стали, требует более концентрированного нагрева. При этом значительная величина теплового коэффициента расширения меди приводит к существенным тепловым деформациям и напря жениям. Поэтому при сварке меди часто возникает необходи мость в предварительном и сопутствующем подогреве основного металла, а также в снижении его деформации.
Появление в металле шва и околошовной зоны кристаллиза ционных трещин связано с двумя главными причинами:
□окислением меди при сварке и наличием кислорода в са мом свариваемом металле;
□присутствием в металле некоторых примесей, благоприят ствующих развитию кристаллизационных трещин.-
Высокая растворимость кислорода и водорода в жидкой меди требует создания эффективной защиты зоны сварки от возмож ного насыщения металла этими газами, а также наиболее полного освобождения от них расплавленного металла. С этой целью в сва рочной технике применяются следующие способы:
□защита металла с помощью флюсов, электродных покры тий и нейтральных по отношению к меди защитных газов;
□раскисление жидкого металла с помощью раскислителей (Р, Zn, Мп, Si);
474 Раздел V. Сварочное производство
□ некоторые технологические приемы, уменьшающие вред ное воздействие окисных пленок (например, проковка сварного соединения, разрушающая сплошность залегания оксидных пленок, назначение режимов сварки с меньшим значением по гонной энергии и др.).
Основными трудностями, возникающими при сварке лат у ней, являются значительная потеря цинка вследствие его испа рения и поглощение газов жидким металлом. Испарение цинка связано с низкой температурой его кипения.
Чтобы уменьшить теплоотвод от сварочной ванны и создать условия для более полного удаления из нее растворившихся га зов, целесообразно нагревать основной металл перед сваркой до 250...300 °С.
Свариваемость бронз в значительной степени зависит от их состава. Особые трудности вызывает сварка литейных оловянистых бронз. Их предварительно нагревают, но не перегревают, так как избыточное олово, оставшееся на границах зерен, при перегреве легко расплавляется и снижает прочность наплав ленного металла настолько, что он может разрушаться даже под действием собственного веса. Поэтому сварку литейных оловянистых бронз производят чаще всего газовой сваркой мягким нормальным ацетилено-кислородным пламенем.
18.4.5. Свариваемость алюминия и его сплавов
Можно отметить следующие основные затруднения метал лургического характера, появляющиеся при сварке алюминия
иего сплавов:
□необходимость удаления тугоплавкой и плотной оксидной пленки;
□повышенная склонность металла к образованию пор;
□пониженная стойкость металла к образованию кристалли зационных трещин.
Кроме того, имеются трудности, связанные с тепловым воздей ствием на основной металл. К их числу относятся существенные изменения свойств металла в зоне термического влияния для ряда сплавов; повышенный коэффициент линейного расширения, большая теплопроводность и теплоемкость металла, способствую щие развитию значительной деформации последнего в процессе
охлаждения.
18. Теоретические основы сварки |
475 |
Потеря прочности и вязкости алюминия и его сплавов при температурах, близких к температуре плавления, может при вести к разрушению металла в зоне нагрева под действием соб ственного веса.
Общие пути борьбы с пористостью при сварке алюминия и его сплавов следующие:
□тщательное предупреждение возможности попадания влаги
взону сварки;
□выбор оптимального режима сварки, обеспечивающего наи более благоприятные условия для удаления из металла водорода.
Для повышения стойкости металла шва к образованию кри сталлизационных трещин при сварке алюминия и его сплавов необходимо стремиться к получению мелкозернистой структу ры металла.
Большое значение при сварке алюминия и его сплавов имеет правильный выбор присадочного металла. Чтобы получить в ме талле шва свойства, близкие к свойствам основного металла (проч ность, пластичность, коррозионная стойкость, теплофизические характеристики и т.д.), целесообразно использовать присадочный металл того же состава, что и основной. Однако из-за повышен ной склонности большинства сплавов алюминия к кристаллиза ционным трещинам более рационально применять присадочный материал, который, отличаясь по составу от свариваемого сплава, обеспечил бы проведение эффективного комплексного легиро вания с использованием модификаторов.
19 СВАРКА ПЛАВЛЕНИЕМ в_______________________ .
Типы сварных соединений. Сварные швы
Сварные соединения подразделяются на несколько типов, определяемых взаимным расположением свариваемых деталей. Основными из них являются стыковые, угловые, тавровые и нахлесточные соединения. Для обеспечения равномерного сквоз ного проплавления и требуемого качества шва выбирают различ ные технологии сварки и рациональную подготовку торцевых поверхностей элементов свариваемых конструкций.
Стыковым называют соединение двух элементов, примы кающих друг к другу торцевыми поверхностями (рис. 19.1, а). Известно много типов таких соединений, имеющих различную подготовку кромок в зависимости от толщины свариваемых эле ментов, их расположения и технологии сварки.
а, |
60 ± 5° 1...2 ммб |
г
/
Р ис. 19.1. Т ипы сварных соединений:
а —• стыковое; б — тавровое; в — нахлесточное; г — угловое
19. Сварка плавлением |
477 |
Тавровым называют соединение, в котором торец одного эле мента примыкает под углом к боковой поверхности другого эле мента и приварен к ней угловыми швами (рис. 19.1, б).
Нахлесточным называют соединение, в котором сваренные угловыми швами элементы расположены параллельно и частично перекрывают друг друга (рис. 19.1, в).
Угловым называют соединение двух элементов, расположенных под углом и сваренных в месте примыкания их краев (рис. 19.1, г).
Из перечисленных сварных соединений наиболее надежными и экономичными являются стыковые.
Сварные швы металлических конструкций различаются по ряду признаков.
По положению относительно действующего усилия Р швы мо гут быть лобовыми, косыми и фланговыми. Эти определения от носятся к угловым швам нахлесточных соединений (рис. 19.2). Лобовой шов расположен перпендикулярно усилию, фланговый — параллельно, а косой — под углом.
1 t р
1
4 IIIIII
III 1III |
|
< р |
р г |
I IIIII1 |
т |
Рис. 19.2. Расположение щвов относительно действующего усилия Р: а — лобового; б — флангового; в — косого; г — лобового и косых
По протяженности сварные швы бывают непрерывными и прерывистыми. В основном все швы выполняются непрерыв ными, но в зависимости от требований к сварным конструкциям иногда применяют и прерывистые швы. Часто прерывистые швы, так называемые прихватки, выполняют для предварительного закрепления свариваемых элементов при сборке.
По внешней форме различают сварные швы выпуклые и вогну тые. Как правило, все швы выполняют выпуклыми с небольшим усилением.
Взависимости от объема наплавленного металла стыковые
иугловые сварные швы могут быть однослойными и многослой ными.
По характеру требований, предъявляемых к сварным швам,
они могут быть прочными, плотными и прочноплотными.
478 |
Раздел V. Сварочное производство |
19.2. Сварочная луга
Источником теплоты при дуговой сварке плавлением являет ся сварочная электрическая дуга. Сварочная дуга представляет собой мощный длительный электрический разряд между про водниками в ионизированной атмосфере газов и паров металла. Она образуется между электродом и основным металлом (изде лием) или между двумя электродами, имеющими разность по тенциалов.
Сварочная дуга (рис. 19.3) состоит из катодного пятна 2, ко торое образуется на электроде 1, столба дуги 3, анодного пят на 4, образующегося на аноде (изделии 5). На рисунке показана сварочная дуга постоянного тока на прямой полярности (като дом является электрод, а анодом — изделие). При изменении полярности, т.е. применении тока обратной полярности, катодом является изделие, а анодом — электрод. Дуга переменного тока характеризуется тем, что в соответствии с частотой тока проис ходит постоянное многократное изменение направления тока и смена катода на анод, и наоборот.
Q = 36...38% |
« = 3200 °С |
Q = 20...21 %
Q = 42...43%
5 4
Рис. 19.3. Схема сварочной дуги
Для возникновения и горения дуги необходима ионизация дугового промежутка между электродом и изделием, так как воздух в обычном состоянии не является проводником электри чества. Ионизация дугового промежутка происходит во время
19. Сварка плавлением |
479 |
зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе ее го рения.
Процесс зажигания, или возбуждения, дуги происходит в не сколько этапов (рис. 19.4).
1 2 3 4 (+)
Рис. 19.4. Схема возбуждения дуги:
1 — короткое замыкание электрода на изделие; 2 — разогрев торца элек
трода и изделия в месте контакта и образование жидкой прослойки металла; 3 — отвод электрода на расстояние 3...5 мм с образованием шейки жидкого металла; 4 — разрыв шейки и возникновение дуги
После отвода электрода с его разогретого торца под действием электрического поля начинается термоэлектрическая эмиссия электронов. Столкновение быстро движущихся по направлению
каноду электронов с молекулами газов и паров металла приводит
ких ионизации. По мере разогрева столба и повышения кинети ческой энергии атомов и молекул происходит дополнительная ионизация за счет их соударения. Количество ионизированных частиц определяется степенью ионизации, которая характери зует отношение количества образовавшихся заряженных частиц
кобщему количеству частиц в объеме газа в столбе дуги до иони зации.
Предельное значение степени ионизации а равно 1, или 100 % (ионизированы все молекулы). В сварочных дугах'степень ио низации составляет величину от нескольких процентов до не скольких десятков процентов в зависимости от плотности тока
вдуге. Степень ионизации зависит от температуры и потенциала ионизации газа. Потенциал ионизации характеризует энергию, которую необходимо затратить для ионизации, т.е. отрыва элек трона от атома и превращения последнего в положительный ион.
Врезультате ионизации дуговой промежуток становится электропроводным и возникает устойчивый дуговой разряд.
480 |
Раздел V. Сварочное производство |
В большинстве случаев сварочные дуги горят в смесях мно гих газов и паров, включающих пары металлов, которые имеют различные потенциалы ионизации. Чем больше в этой смеси ве ществ с низким потенциалом ионизации, тем более устойчиво горит сварочная дуга.
Электрические свойства дуги описываются ст ат ической волып-амперной характеристикой, которая представляет со бой зависимость между напряжением дуги и сварочным током в состоянии устойчивого горения дуги (рис. 19.5).
В зависимости от плотности тока вольт-амперная характери стика дуги может быть падающей, жесткой (пологой) и возрас тающей. В области малых токов I (до 100 А) в дуге с увеличением тока / д интенсивно возрастает число заряженных частиц, глав ным образом вследствие разогрева катода и роста эмиссии элек тронов с катодного пятна, а следовательно, и соответствующего ей роста объемной ионизации в столбе дуги. Сопротивление столба дуги уменьшается, падает и нужное для поддержания разряда напряжение С7Д— характеристика дуги является па дающей.
Дуга, имеющая падающую статическую характеристику, малоустойчива, так как незначительное изменение тока резко сказывается на напряжении дуги, что приводит к ее обрыву.
19. Сварка плавлением |
481 |
В связи с этим такая дуга в чистом виде имеет ограниченное при менение, она существует в момент зажигания, а дальше возни кает дуга с более устойчивой характеристикой.
В области II при дальнейшем росте силы тока и ограниченном сечении электродов столб дуги несколькосжимается и объем газа, участвующего в переносе зарядов, уменьшается. Это приводит к меньшей скорости роста числа заряженных частиц. Напряже ние дуги становится мало зависящим от тока, а характеристика —
пологой (жесткой).
Дуга с жесткой статической характеристикой наиболее устой чива и Широко используется для ручной и автоматической свар ки. Изменение напряжения зависит только от ее длины (длины столба дуги) и не зависит от величины сварочного тока:
и л = а + ргд,
где 1Д— длина дуги, мм; а и Р — коэффициенты, зависящие от рода металла и газа в дуговом промежутке.
Падающая и пологая характеристики типичны для дуги при дуговой ручной (ДР) и газоэлектрической (ГЭ) сварке, а также вообще для сварки при малых и обычных плотностях тока, в том числе и дугой под флюсом (ДФ).
Сварка на высоких плотностях тока и плазменно-дуговые про цессы соответствуют области III режимов дуги. Они характери зуются сильным сжатием столба дуги, а вольт-амперная харак теристика здесь — возрастающая, что указывает на увеличение энергии, расходуемой внутри дуги.
Наиболее важной характеристикой сварки являются тепловые свойства дуги. Температура на катоде более низкая (3200 °С), чем на аноде (390Ф °С), а максимального значения (6000 °С) она достигает в столбе дуги.
Вкатодной области выделяется 36...38 % тепловой энергии,
ванодной области — 42...43, в столбе дуги — 20...21 %. Полное количество тепла, выделяемое в Дуге в единицу времени, или
полная тепловая мощность дуги Q (Вт), определяется из выра жения
Q = /с= Ua,
где / св — сварочный ток, А;, Е7Д— напряжение дуги, В.