Сварка специальных сталей и сплавов. Учебно-методическое пособие

Электроды на никелевой основе. Их представитель – марка ОЗЧ-3 – содержит не менее 99 % Ni; твердость – НВ 150…180; относительное удлинение – 24 %.

Никелевый аустенит может растворять много углерода, не увеличивая твердости и не снижая пластичности. Это делает сварные соединения легко обрабатываемыми точением и фрезерованием, стойкими к образованию трещин и пор.

Недостаток электродов – высокая их цена, почти на порядок выше, чем у электродов ЦЧ-4.

ПАНЧ-11 – электродная проволока 1,2 мм на основе Ni является заменителем электродов ОЗЧ-3. Используется при сварке чугуна сварочными полуавтоматами. Допускает ведение сварки открытой дугой без применения защитных газов (Ar, CO2). Это удешевляет сварку, но использование газов стабилизирует горение дуги.

Вопросы для самоконтроля

1.Основы технологии горячей сварки чугуна.

2.Основы технологии холодной сварки чугуна.

21

8. Особенности сварки Аl, Ti, Cu и их сплавов

Сварка алюминия. Трудности при сварке Аl и его сплавов связаны с окисной пленкой Аl2О3. В силу тугоплавкости (Tпл = 2050 оС) она в сварочной ванне не расплавляется, и кроме того не всплывает на ее поверхность. Как следствие, при кристаллизации ее частицы размещаются между кристаллитами, снижая тем прочность. Кроме того, она активно адсорбирует из воздуха газы, которые при сварке вызывают пористость.

Окисел Аl2О3 химически устойчив, и в условиях сварки восстановить из него Аl не удается. Основным средством борьбы с Аl2О3 является его удаление. Сначала свариваемые кромки (и поверхность на расстоянии 15 мм от кромок) обезжиривают, например, ацетоном или другими растворителями. Затем зачищают от окисной пленки металлическими щетками или шабрением и вновь обезжиривают. Пауза после зачистки до сварки не должна превышать 2–3 часов. Так же тщательно обрабатывают присадочную проволоку.

Как бы хорошо не зачистили Аl-сплав под сварку, скорость окисления такова, что какое-то количество Аl2О3 в зоне сварки всегда присутствует.

Поэтому сварку ведут на обратной полярности, при которой имеет место эффект «каждой очистки». Под его воздействием окисная пленка измельчается и становится неопасной.

J J

t

t

Рис. 6. Импульсный ток для сварки алюминия:

переменный (слева) и постоянный (справа)

Кроме того, используют пульсирующий ток (рис. 6), при котором создается пульсирующее давление на сварочную ванну, вызывающее ее перемешивание, способствующее дегазации ванны и предупреждению пор. Пульсация тока создается в сварочных выпрямителях пульсацией выходного напряжения.

Вольфрамовый электрод на обратной полярности быстро разрушается, поэтому в сварочных источниках предусматривают в каждом цикле понижение

22

тока с переходом на прямую полярность, причем время горения и величина тока прямой полярности подлежат регулировке. Длительное время горения на прямой полярности способствует сохранению электрода, но увеличивает вероятность появления пор в сварочном шве из-за ухудшения «катодной очистки».

Возможна сварка на прямой полярности, но в этом случае аргон заменяют гелием, чтобы поднять температуру дуги и сделать ее способной расплавлять тугоплавкую окись алюминия Аl2О3.

При сварке плазменной дугой обратной полярности импульсный источник питания для дегазации сварочной ванны не столь актуален. Высокая температура плазменной (сжатой) дуги и эффект «катодной очистки» успешно справляются с нейтрализацией вредного влияния окиси Al2О3 и обеспечивают надлежащее качество швов.

При сварке алюминия под флюсом и покрытыми электродами шлак не разлагает окисную пленку, а лишь ее смывает.

Высокая теплопроводность Аl создает впереди сварочной ванны зону значительного разогрева. Это может сопровождаться перемещением тонких кромок и ухудшать формирование наплавленного валика.

Сварка титана. Основная проблема свариваемости титановых сплавов связана с его способностью насыщаться газами (О2, N2, Н2) даже при относительно низких температурах ( 350 оС). Это приводит к порам (в виде цепочки вдоль линии сплавления) и охрупчиванию. Для предупреждения газонасыщения требуется защита от атмосферы не только сварочной ванны, но и зоны термического влияния с температурой 350 оС, в том числе с обратной стороны шва.

Перед сваркой мало, как при сварке алюминия, произвести очистку кромок (и поверхности на расстоянии 15 мм от кромок) от пленки окислов. Необходимо удалить с поверхности слой основного металла, имеющий повышенное содержание газов. Для этого свариваемые кромки подвергают дробеструйной обработке для разрыхления газонасыщенного слоя. Затем производят травление (50 % НF + 50 % НNО3) и глубокую механическую зачистку (шабрение). В этом отличие подготовки к сварке Тi-сплавов от подготовки к сварке сталей и алюминиевых сплавов. У сталей и алюминия достаточно удалить с кромок лишь окислы, а у титана надо удалять поверхностный слой металла, насыщенный газами.

При сварке так же надо учитывать высокую текучесть титана в жидком состоянии и высокий коэффициент поверхностного натяжения, которые увеличивают вероятность прожогов.

Сварка меди. Ее выполнение затрудняет большая теплопроводность (в 6 раз выше, чем у стали). Поэтому требуется высокий (до 600 оС)

23

предварительный подогрев. Уточнить температуру подогрева в каждом конкретном случае (в зависимости от толщины свариваемых кромок) можно по растеканию расплавленного металла на подогретой поверхности. Если расплавленный металл не растекается (собирается в виде шариков) – подогрев следует увеличивать. Температура подогрева будет меньше, если для защиты дуги применить гелий, который увеличивает ее температуру.

Из-за высокой текучести меди в жидком состоянии ее сварка возможна лишь в нижнем положении.

Наличие кислорода (свыше 0,03 %) в меди резко повышает склонность к горячим трещинам. Поэтому, для качественной сварки важно производить очистку кромок, прокалку флюса и электродов.

Высокий (в 1,5 раза выше, чем у стали) коэффициент линейного (теплового) расширения обуславливает при сварке повышенные деформации тонких кромок, и может затруднять формирование швов, как и в случае сварки алюминия.

Вопросы для самоконтроля

1.Основы сварки алюминия.

2.Основы сварки титана.

3.Основы сварки меди.

24

9. Виды сварочных материалов и области их применения

Сварочные материалы выпускаются различных видов (проволока, пруток …), и каждый используется только в свойственных ему способах сварки или наплавки. Сопоставляя особенности технологий их применения можно выбирать оптимальный вид сварочного материала для того или иного случая сварки сталей и сплавов с ограниченной свариваемостью.

Покрытые электроды предназначены для ручной электродуговой сварки

аргонодуговой сварке. Эти способы не требуют нанесения на электроды обмазки, поэтому для сварки используют прутки, которые вырубают из проволоки.

Цельнометаллическая и порошковая проволоки. Они применяются для автоматической и полуавтоматической сварки, которые по производительности превосходят сварку покрытыми электродами в 3–4 и более раз. В отличие от цельнометаллической, в порошковой проволоке металлической является только оболочка, а сердцевина заполнена порошковым материалом (рис. 7). В его состав входят легирующие, газо- и флюсообразующие химические соединения, которые используются для улучшения формирования шва, стабилизации горения дуги, легирования шва. Благодаря этому, изготавливаются самозащитные порошковые проволоки, сварка которыми производится без подачи защитных газов или флюса. Например, сварочная проволока ПП-СП10. Ее применение облегчает организацию работ передвижными сварочными постами при монтажных или ремонтных работах.

При сварке цельнометаллической проволокой ток концентрируется в центре сечения, что создает узкое проплавление в корне шва, которое делает ненадежным сплавление кромок (рис. 8а). При сварке порошковой проволокой ток проходит по оболочке, что благоприятствует широкому проплавлению без дефектов в корне шва (рис. 8б).

25

Рис. 8. Проплавление при сварке цельнометаллической (а) и порошковой (б) проволоками

Недостаток порошковых проволок состоит в высыпании шихты через неплотный стык (рис. 7) и насыщение сердечника влагой из воздуха по той же причине. Присутствие влаги в сердечнике не позволяло при сварке порошковой проволокой получать сварные швы со столь же высокой ударной вязкостью, как швы, сваренные цельнометаллической проволокой.

Но в XXI в. этот недостаток был преодолен тем, что оболочку проволок научились выполнять в виде сплошной трубки, т. е. без стыка кромок. Это позволило порошковой проволоке вытеснять цельнометаллическую, благодаря меньшему разбрызгиванию. Кроме того, при сварке порошковой проволокой менее строгие требования к сварочному персоналу, из-за снижения вероятности появления дефектов виде «непровара» (рис. 8).

Вопросы для самоконтроля

1.Свойства и применение покрытых электродов и прутков.

2.Свойства и применение цельнометаллической проволоки.

3.Свойства и применение порошковой проволоки.

26

10. Сварочные источники питания

Тип источников питания сказывается на горении дуги, что влияет на качество сварки. Поэтому при сварке сталей и сплавов с ограниченной свариваемостью важно сделать правильный выбор источника питания [3].

Генераторы. Первый специализированный источник питания для сварки был разработан в 1907 г. Им стал генератор. Сегодня генераторы выпускаются в комплекте с двигателями внутреннего сгорания в составе сварочных агрегатов. Они применяются там, где нет возможности присоединиться к электрическим сетям.

Генераторы являются источниками постоянного тока, что обеспечивает дуге стабильное и спокойное горение. Но эта дуга подвержена отклонению под действием магнитной массы свариваемого изделия и даже собственного электромагнитного поля, что может быть причиной дефектов.

Сварка постоянным током может вестись на прямой и обратной полярности. В последнем случае (минус на изделии) разделка испытывает бомбардировку тяжелыми ионами, которые зачищают поверхность от окисных и адсорбционных пленок. Это явление получило название «эффект катодной очистки», который используется для предупреждения пористости при сварке алюминиевых и других трудно свариваемых сплавов.

Сварочные трансформаторы. Это источники питания переменного тока; впервые массовое производство их начато в СССР в 30-е гг.

Потому, что при частоте 50 Гц дуга 100 раз в секунду энергетически потухает, то горит она не устойчиво, с большим разбрызгиванием. Поэтому для сварки трансформаторами выпускаются специальные электроды, имеющие в обмазке вещества стабилизирующие дугу переменного тока. Но дуга переменного тока не отклоняется под влиянием магнитных полей. Кроме того, половину времени дуга горит на обратной полярности, т. е. при сварке имеет место эффект катодной очистки. Циклическое изменение полярности приводит к пульсирующему воздействию на сварочную ванну, способствует ее перемешиванию, ускоряет дегазацию и кристаллизацию.

Сварочные выпрямители. Их производство начато в 50-е гг., после того как был освоен (США) выпуск твердотельных полупроводников. До этого полупроводники были ламповые, т. е. легкоповреждаемые, и в сварочных источниках не применялись. Твердотельные полупроводники позволили приступить к изготовлению сварочных выпрямителей.

Диодные и тиристорные выпрямители.

Сварочный выпрямитель представляет собой сварочный трансформатор с подключенным последовательно блоком полупроводников. В сварочном

27

выпрямителе на диодах регулировка режима производится трансформатором или дросселем, т. к. диоды – неуправляемые полупроводники, и с помощью их регулировать ток и напряжение невозможно.

Тиристоры (не полностью управляемые полупроводники) в сварочных выпрямителях позволяют регулировать наклон вольт-амперной характеристики, величину тока и выходного напряжения, стабилизировать их значения по средствам обратной связи. Эти источники могут быть универсальными, т. е. пригодными для ручной (падающая характеристика выпрямителя) и автоматической (жесткая характеристика выпрямителя) сварки. Их производство в СССР начато в 70-е гг.

Инверторные выпрямители.

Транзисторы (полностью управляемые полупроводники) позволили создать инверторные выпрямители. Их производство начато в 90-х годах. В инверторах сетевое напряжение частотой 50 Гц транзисторами преобразуется в напряжение высокой частоты 50 кГц. Благодаря высокой частоте, в трансформаторе, понижающем сетевое напряжение 380 В до сварочного 70 В, вместо железного применили ферритовый сердечник. Он в 10 раз легче железного, что уменьшило вес источника питания в 2-3 раза.

Инверторные источники не потребляют реактивной мощности (cos 1), а их КПД достигает 0,9. Переходные процессы в дуге более скоротечны (0,001 с), чем в дугах от обычных источников (0,02 с). Это улучшает стабильность горения дуги, снижает разбрызгивание. Транзисторы дают широкие возможности для управления током, поэтому в инверторных выпрямителях предусматриваются специальные функции: горячий старт, заварка кратера и другие, облегчающие ведение сварки, в результате чего снижаются требования к профессиональному мастерству сварщиков.

Горячий старт.

Всварочных генераторах, трансформаторах и выпрямителях на диодах при замыкании электрода на изделие для зажигания дуги, выходное напряжение резко снижается, согласно падающей вольт-амперной характеристике источника (ВАХ). Поэтому в момент отрыва электрода его не хватает, чтобы вызвать достаточную для возбуждения дуги эмиссию электронов. Сварщики для зажигания дуги вынуждены многократными касаниями разогревать кончик электрода, чтобы стимулировать тепловую эмиссию электронов, и тем восполнить недостаток эмиссии от слабого электрического поля.

Винверторных выпрямителях предусмотрено следующее. Чтобы в режиме ожидания сварки вероятность поражения сварщика током была минимальной, напряжение через 0,3 с после погасания дуги снижается до 12 В. Для зажигания дуги сварщик неторопливо касается электродом изделия. При достижении током

28

5 А напряжение резко возрастает от 12 В до номинального значения напряжения холостого хода 70 В и сохраняется таким, пока ток не достигнет 20 А, т. е. пока не произойдет возбуждения дуги. Задержка высокого напряжения обеспечивает достаточную для возбуждения дуги эмиссию электронов от первого касания. Эту функцию поддержания высокого напряжения при поджиге дуги можно было бы назвать «быстрый старт», но ее называют горячий старт (hot start), указывая этим, что она заменяет разогревание электрода многочисленными касаниями изделия при работе от старых типов источников питания.

При сварке вольфрамовым электродом возбуждение дуги с низкого напряжения (12 В) предотвращает оплавление кончика электрода, снижающее его срок службы и загрязняющее шов включениями вольфрама.

Форсаж.

Для получения швов с высокой ударной вязкостью применяют электроды с обмазкой основного типа (УОНИ-13/55, ТМУ-21У и др.). Сварка ими производится короткой дугой, т. к. в противном случае возможны поры. При сварке короткой дугой электрод нередко «прилипает» к изделию (вмерзает в сварочную ванну). Чтобы не допускать этого предусмотрена функция arc force (форсаж). Когда электрод приближается к сварочной ванне слишком близко, и напряжение на дуге снижается до 10 В, то падающая ВАХ преобразуется в жесткую. В результате падение напряжения останавливается, дуга не погасает, а продолжает гореть, оплавляя электрод и восстанавливая этим длину дуги. Залипания электрода на изделие не происходит.

Антиобсыпание (anti ctick).

Если все же «примерзание» электрода к изделию произошло, то сварщику, обычно, не удается быстро оторвать электрод, и его стержень нагревается докрасна током короткого замыкания. Такой нагрев вызывает обсыпание электродной обмазки, и электрод приходит в негодность. Особенно к этому склонны электроды со стержнем из аустенитных сталей, удельное электрическое сопротивление которых многократно выше, чем углеродистых. Чтобы обсыпания обмазки не происходило, предусматривается отключение напряжения (прохождение тока через электрод), если время залипания продолжается более чем 0,8 с.

Инверторы для сварочных полуавтоматов.

В сварочных полуавтоматах возбуждение дуги часто сопровождается перегоранием вылета электрода (отстреливанием) в месте контакта с наконечником горелки. Чтобы этого не происходило, в инверторе предусматривают пониженное напряжение и медленную подачу проволоки вначале сварки. После возбуждения дуги и напряжение, и скорость подачи проволоки быстро нарастают до требуемых значений.

29

При резком обрыве дуги в конце шва образуется «кратер», т. е. углубление, которое является сварочным дефектом. При сварке полуавтоматом с инверторным выпрямителем для заварки кратера предусмотрено замедление подачи проволоки с одновременным снижением напряжения источника. Замедление проволоки уменьшает силу тока, давление дуги на сварочную ванну ослабевает, ее поверхность выравнивается, и образования кратера не происходит.

При сварке неплавящимся вольфрамовым электродом для заварки кратера предусмотрено снижение тока при нажатии кнопки «стоп».

Импульсный режим.

Из раздела 8 известно, что при сварке алюминиевых сплавов применяется импульсный режим. Импульсы тока создают импульсы давления на сварочную ванну, которые интенсифицируют ее перемешивание, что способствует дегазации расплава и предупреждению пористости швов. Кроме того, импульсы, в случае горения дуги на обратной полярности, активизируют протекание эффекта катодной очистки. Они также способствуют сбрасыванию с конца электрода расплавленного металла более мелкими каплями, что снижает разбрызгивание. По этой причине производители сварочных источников питания все чаще в инверторных выпрямителях предусматривают функцию импульсного режима. По рис. 9 можно проследить, как импульсами тока достигается снижение чешуйчатости швов и более качественная его очистка от окисных пленок.

Рис. 9. Влияние импульсов тока на качество шва

Вопросы для самоконтроля

1.Сварочные генераторы и трансформаторы: свойства и применение.

2.Сварочные выпрямители: свойства и применение.

3.Особенности сварочных инверторных выпрямителей.

30