7.1.4. Технологические особенности сварки черных и цветных металлов и сплавов

Электродуговая сварка, как наиболее распространенная, может обеспечить прочность сварного соединения на уровне основного материала, если будут учтены особенности ее технологического процесса. В первую очередь это касается правильного выбора режима сварки и сварочных материалов, а также последующей термической обработки сварного соединения.

Неравномерный нагрев основного металла, литейная усадка сварного шва и структурные превращения в ЗТВ приводят к возникновению напряжений и деформаций при сварке. Складываясь с напряжениями, возникающими от приложения внешних усилий, они могут достигать величин, превышающих допустимые. Тогда в сварных швах или в ЗТВ могут возникнуть трещины, приводящие к разрушению сварной детали.

Основными способами уменьшения указанных напряжений и деформаций являются: предварительный подогрев детали, а после сварки - отжиг или нормализация.

Предварительный подогрев уменьшает разность температур между ненагретым и нагретым до высоких температур основным и расплавленным присадочным металлом и снижает внутренние напряжения. Температура подогрева определяется свойствами металла. Так, при сварке различных сталей она составляет 100-600⁰С, при сварке чугуна - 500-800⁰С, алюминия - 250-270⁰С, бронзы - 300-400⁰С. Подогрев может быть общим или местным.

Температура подогрева может быть определена по следующей формуле:

^,°С,

где δ- толщина места сварки, мм; С _экв – эквивалентное содержание углерода, рассчитываемое при известном химсоставе по формуле:

,%

В зависимости от величины С_экв стали разделяют на следующие три группы.

1. С_экв £ 0,5-0,6 %-незакаливающиеся или малозакаливающиеся(стали 10ХСНД, 09Г2 и др.).

2. 0,7 £ С_экв £ 1,3%-закаливающиеся.В ЗТВ таких сталей могут встречаться неравновесные структуры: сорбит, троостит, троостомартенсит и даже мартенсит (стали 30ХГСА, 40Х, 20ХМФА и др.).

3. С_экв ³ 1,3-1,5-сильнозакаливающиеся. В ЗТВ таких сталей присутствует мартенсит (стали 3Х12, 4Х13, 18Х2Н4ВА, 40ХНМ и др.).

На основании изложенного следует, что для получения качественного сварного соединения при сварке сталей с содержанием С_экв ³ 0,7%необходим применять специальные меры, предотвращающие образование мартенсита и закалочных трещин. Наиболее часто для этих целей используют предварительный подогрев металла перед сваркой или в процессе сварки. При этом приближенно температуру подогреваtв °С определяют по указанной формуле.

Кроме подогрева, для повышения качества сварного соединения, рекомендуется тепловая изоляция свариваемой детали (покрытие асбестом, засыпка песком и т.п.). Это является особенно важным при сварке в судовых условиях.

Отжиг после сварки снимает внутренние напряжения и повышает пластичность сварных швов.

Сварка сталейопределяется в основном содержанием в ней углерода.Низкоуглеродистые стали(до 0,25% С) хорошо свариваются всемы способами.Сварка среднеуглеродистых сталей (0,26...0,45 % С) производится, как правило, с предварительным подогревом. После сварки их подвергают термической обработке - нормализации или высокому отпуску.

Высокоуглеродистые стали(0,46...0,75 % С) плохо свариваются, поэтому их не применяют для изготовления сварных конструкций.

Сварка низколегированных сталей(суммарное содержимое легирующих элементов до 2,5 %)имеет повышенную склонность к упрочнению и образованию закалочных трещин в ЗТВ. Поэтому большинство этих сталей толщиной свыше 10мм сваривают с предварительным подогревом до150...300°С и последующей нормализацией или высокотемпературным отпуском.

Высоколегированные стали (более 10 %легирующих элементов) сваривают с предварительным подогревом при 150...400°С и последующим высокотемпературным отпуском.

Сварка чугуна производится в основном при исправлении брака чугунных отливок, заварке трещин в блоке цилиндров и фундаментной раме двигателей и др. Основные трудности при выполнении этих работ связаны с образованием в сварном соединении зоны отбеливания (структуры цементита), возникающей при быстром охлаждении расплавленного чугуна, нагретого выше 727°С и появлением в ЗТВ структур закалки. Чугун с такими структурами имеет высокую твердость и очень хрупок, его трудно обрабатывать обычным инструментом. Поэтому основной задачей при сварке чугуна является получение сварного соединения с одинаковой твердостью металла шва и переходных зон без трещин. На практике применяют несколько способов сварки чугуна, которые можно разделить на три группы: горячая, полугорячая и холодная сварки.

Горячая сварка чугуна осуществляется с предварительным и сопутствующим нагревом всего изделия до 600-700⁰С с последующим медленным охлаждением. Присадочным металлом служат чугунные стержни диаметром 5-15 мм, содержащие 3-3,5% углерода и 3-4,6% кремния. После сварки деталь медленно охлаждают вместе с печью или засыпают сухим песком или шлаками. Такой способ обеспечивает полную графитизацию металла шва и отсутствие отбела в ЗТВ, исключает возможность появления сварочных напряжений. Его применяют для сварки (ремонта) наиболее ответственных деталей или деталей имеющих сложную форму (блоки цилиндров, станины и др.).

Полугорячая сварка чугунапроизводится при нагреве детали до 250-450⁰С (в основном в местах сварки). Такой способ применяют для деталей небольшой толщины и при небольшом объеме наплавляемого металла. После сварки также деталь также засыпают сухим песком или шлаками для медленного охлаждения.

Холодная сварка чугунапроизводится без предварительного подогрева детали. Для этого используются стальные электроды, электроды из цветных металлов, порошковая проволока. Поверхность кромок наплавляется короткими валиками, электродами малого диаметра при малой силе тока, чтобы металл не успел разогреваться.

Сварка алюминия и его сплавовможет производится всеми способами. В качестве присадочного материала применяют проволоку или стержни того же химического состава, что и основной металл. Основными затруднениями при их сварке является присутствие на поверхности металла тугоплавкой (Т_пл= 2050⁰С) и плотной (g= 3,9 г/см³) окисной пленкиAl₂O₃, толщина которой увеличивается с течением времени и с повышением температуры ( дляAl:Т_пл= 658⁰C,g= 2,7 г/см³) . Для удаления окисной пленки используются флюсы, в состав которых входят фтористые и хлористые соединения лития, калия, натрия и др. Под действием этих флюсовAl₂O₃переходит в летучийAlCl₃,имеющий малую плотность (2,7 г/см³) и самовозгоняющийся при 183⁰С. Большие значения коэффициентов линейного расширения и теплопроводности часто приводят к деформациям, а иногда и к трещинам в сварных соединениях. Поэтому при сварке производится предварительный подогрев до 250-260⁰С, а иногда и отжиг при 300-350⁰С.

Сварка меди и ее сплавовсопряжена с рядом особенностей, затрудняющих этот процесс. Высокая теплопроводность меди вызывает необходимость применения концентрированных источников нагрева и часто подогрева. Легкая окисляемость и большая растворимость водорода в расплавленной меди в сочетании сCu₂O иCOможет явится причиной образования пор и мелких трещин в шве и ЗТВ. Высокий коэффициент линейного расширения приводит к значительным остаточным деформациям детали. Ручная электродуговая сварка меди осуществляется угольными и металлическими электродами.

Сварку меди угольным электродомпроизводят с применением флюсов, из которых наиболее распространен борный шлак. Сила тока составляет 250-350 А, а диаметры электрода и присадочной проволоки - соответственно 12-14 и 3-7 мм.

Сварка меди металлическимэлектродомведется на постоянном токе обратной полярности, короткой дугой, электродами диаметром 3-6 мм, без колебаний. Сила тока выбирается по диаметру электрода:

I = 50 d.

Сварка бронзыпроизводится в основном при исправлении брака отливок, заварке трещин и других дефектов в деталях. В качестве присадочного материала применяются прутки или электроды того же химического состава, что и основной металл. Электродные покрытия и флюсы те же, что и при сварке меди. При нагреве бронзы выше 500⁰С она теряет вязкость и становится хрупкой. Поэтому для предупреждения сварочных трещин необходимо применять предварительный подогрев до 300-450⁰С.

Сварка латуни графитовым электродомпроизводится на постоянном токе прямой полярности с использованием флюсов, состоящих из криолита, хлористых калия и натрия, древесного угля. Флюс наносят на стержни диаметром 6-8 мм из присадочного материала марки ЛК80-3.

Сварка латуни металлическим электродом ведется также на постоянном токе электродами из латуни ЛК80-3 или бронзы БрКМц3-1 с соответствующим покрытием.

Сварка титана и его сплавовсопряжена с определенными трудностями, главной из которых является большая химическая активностьTiпри высоких температурах по отношению кN₂, O₂ и H₂. Поэтому для получения качественного сварного соединения необходима тщательная защита от газов воздуха не только сварочной ванны, но и остывающих участков металла шва и ЗТВ вплоть до температуры 500⁰С. Следует также защищать обратную сторону шва даже в том случае, если она не расплавляется, а только нагревается свыше 500⁰С. В качестве газовой защиты при сварке титана можно судить по цвету металла шва и околошовной зоны. Блестящая серебристая поверхность шва свидетельствует в хорошей защите отО₂и удовлетворительных свойствах шва. Синий цвет шва и серые налеты на нем указывают на плохую защиту. Для соединения деталей изTi и его сплавов широко применяется аргоно-дуговая сварка неплавящимся (вольфрамовым) электродом на постоянном токе при прямой полярности.