5. Материалы для дуговой сварки

Для дуговой сварки труб из углеродистых и низколегированных сталей применяют следующие сварочные материалы: для ручной сварки — покрытые металлические   электроды (ГОСТ 9466—75 и ГОСТ 9467—75); для механизированной сварки — флюсы (ГОСТ 9087—81), углекислый газ С02 (ГОСТ 8050—85), проволоку стальную сварочную (ГОСТ 2246—70).

ГОСТы регламентируют качественные показатели материалов, область их применения, технологические свойства, правила испытаний, упаковку, маркировку, транспортирование, хранение и объем сопроводительной документации.

Основным показателем электродов является тип (Э42, Э50, Э50А и др.), который определяет прочностные характеристики металла шва. Типу электродов соответствует одна или несколько марок, характеризующих химический состав покрытия, марку стали стержня, технологические свойства

Флюсы для дуговой сварки бывают плавленые и керамические (с буквой «К» в названии марки). Буква «А» в конце названия типа электродов, флюсов показывает на их улучшенные показатели по вредным примесям.

В зависимости от вида дуговой сварки и марки стали труб рекомендуются соответствующие сочетания флюсов и сварочных проволок для комбинированных методов сварки.

 

6. Газосварочное пламя, строение, технологические свойства

Источником нагрева при газовой сварке является пламя. В пламени происходит сложный процесс горения газов, состоящий из ряда фаз, в течение которых происходят различные химические преобразования. Процесс горения газов подробно исследовался Н. Н. Семеновым и его сотрудниками. Исследования показали, что поступающая из наконечника горелки смесь ацетилена и кислорода проходит сначала период тепловой и химической подготовки к воспламенению. Этот период именуется периодом индукции и характеризуется незначительными реакциями окисления, протекающими с малой скоростью. Одновременно происходит подогрев смеси благодаря передаче тепла от окружающих, уже воспламенившихся объемов газа. Под влиянием нагрева и благодаря ограниченной теплоустойчивости происходит пирогенное разложение ацетилена на углерод и водород. Одновременно с пирогенным разложением в результате начинающихся окислительных процессов частично образуется (сначала в незначительных количествах) окись углерода СО. Подготовка смеси к воспламенению происходит в начальной небольшой зоне пламени, которая носит название ядра. Когда период индукции завершен, скорость протекания окислительных реакций в нагретых газах резко возрастает: начинается период воспламенения газа. С этого момента происходит резкое возрастание температуры. Начинается бурное окисление продуктов предшествующего разложения ацетилена, сопровождающееся рядом цепных реакций. При избытке кислорода окисление могло бы протекать и до образования СО2. Однако вследствие того, что в газосварочное пламя обычно подается ограниченное количество кислорода, реакция протекает с образованием неполных окислов. Кислород, поступающий в составе смеси из горелки, называют первичным, а участвующий в третьей стадии реакции и забираемый из окружающей среды - вторичным. Все стадии процесса горения сопровождаются интенсивным тепловыделением. Низшая теплотворная способность ацетилена около 12600 кал/л, из которых при нормальном регулировании пламени около 44% выделяется в средней зоне и около 56% - в факеле. По наблюдениям Н. Н. Клебанова, наибольшая температура пламени достигает 3100-3200° С. Газосварочное пламя оказывает сильное тепловое и химическое воздействие на свариваемые металлы. Химическое воздействие может состоять в окислении или раскислении металла, в науглероживании и, наконец, в насыщении водородом. Характер протекания той или иной реакции будет зависеть от состава пламени, от расстояния между наконечником горелки и поверхностью детали, а также от химических свойств самого металла свариваемой детали. Окисление свариваемого металла может происходить при неправильном соотношении количеств горючего газа и кислорода в составе пламени. Так, при соотношении в газовой смеси О2/С2Н2 более чем в 1,2 в средней зоне пламени появятся свободный О2 и СО2, и она потеряет свои восстановительные свойства. Пламя такого состава носит название окислительного. При недостатке кислорода в составе пламени в средней зоне будет образовываться свободный углерод, который может химически взаимодействовать со свариваемым металлом. При сварке стали это приводит иногда даже к появлению трещин вследствие образования в зоне шва науглероженного участка со структурой мартенсита. Нормально отрегулированное пламя, средняя зона которого обладает некоторыми восстановительными свойствами, обеспечивает очистку металла от окислов по реакции FeO + H2 = Н2О + Fe. Следовательно, такой состав пламени способствует улучшению механических характеристик шва. При газовой сварке наличие факела горячих газов, окружающих среднюю зону пламени и омывающих металл вокруг сварочной ванны, создает в свариваемом металле широко распространенное тепловое поле. Эта особенность теплового режима газовой сварки отражается и на процессах, протекающих в свариваемом металле. Широкая зона прогрева и длительное пребывание свариваемого металла в интервале температур 1100-1500° С могут вызвать при сварке стали появление крупнозернистой структуры перегрева. Замедленная скорость охлаждения, с другой стороны, при известных условиях может предотвратить появление закалочных структур. Широкая зона прогрева, как правило, приводит к повышенным деформациям. Более низкая максимальная температура газосварочного пламени (по сравнению с температурой сварочной дуги) уменьшает опасность испарения и улетучивания легко испаряющихся веществ из свариваемого и присадочного металлов. Газовая сварка может осуществляться как вручную, так и автоматически. Ручная газовая сварка выполняется левым или правым способом. При левом способе, более распространенном, ось мундштука горелки наклонена так, что пламя направлено под острым углом к поверхности изделия в противоположную сторону от заваренного ранее шва. При правом способе ось мундштука имеет наклон в другую сторону; пламя направлено назад, на уже заваренный шов, и почти нормально к поверхности сварочной ванны. Способ правой сварки рекомендуется для толщин свыше 5 мм, при которых легче избежать прожога; он на 20-25% производительнее левого способа, обеспечивает более высокое качество шва и требует меньшего расхода газов. Эти преимущества достигаются за счет концентрации пламени в пространстве, ограниченном свариваемыми кромками и наплавленным валиком. При газовой сварке мощность пламени, т. е. количество горючего (в л/час), выбирается в зависимости от толщины свариваемых деталей и марки их материала. Каждый номер наконечника горелки соответствует определенной мощности.

Расход ацетилена на 1 мм толщины металла для малоуглеродистой стали принимается 100-150 л/час, для меди 150-200 л/час и для алюминия 75-100 л/час. Пламя регулируют в соответствии со свойствами и составом свариваемых металлов. Так, если для стали нормальное соотношение О2/С2Н2 = 1,15, то для меди и алюминия, учитывая их повышенную окисляемость, это соотношение принимают равным 1,05. Форма подготовки кромок листов под газовую сварку. Листы толщиной 1,5 мм и менее подвергают отбортовке; листы толщиной от 2 до 5 мм сваривают встык без скоса кромок, а при толщинах более 5 мм делают скос кромок (фаску). Во избежание прожогов вершины шва в нижней части фаски оставляют притупление. Угол раскрытия в стыковом V-образном соединении принимают близким к 90°. Присадочным материалом при газовой сварке служат прутки или куски проволоки соответствующего состава, который выбирают исходя из требуемого химического состава наплавки. При этом учитывают выгорание некоторых легкоокисляющихся элементов, которое может происходить в процессе сварки. Даже при тщательной регулировке пламени при газовой сварке может образоваться ряд окислов, загрязняющих шов, а иногда и препятствующих сплавлению основного и присадочного металла. С целью очищения расплавленного металла от окислов и защиты его поверхности при сварке высоколегированных сталей, чугуна и цветных металлов и сплавов в сварочную ванну вводят сварочные порошки, или флюсы. Флюсы взаимодействуют с окислами, химически связывая их или растворяя в шлаке, образующемся при плавлении флюса. Применение флюсов обязательно при сварке таких легко окисляющихся металлов, как, например, алюминий, медь. При сварке малоуглеродистой стали окислы восстанавливаются газами пламени. Области применения ручной газовой сварки определяются сущностью и особенностями этого процесса. Благодаря относительно меньшей температуре пламени и возможности регулирования интенсивности нагрева свариваемого металла газовую сварку часто используют для изготовления стальных деталей малых сечений (крючки, подвески, соединения проволок и др.), а также изделий из тонких листов - от 1,5 мм и ниже (трубы вентиляции, вентиляционные головки, тонкостенные сосуды и др.). Газовую сварку с успехом используют и для соединения цветных металлов, для которых также существенны меньшая температура пламени при достаточной тепловой мощности и наличие зоны защитных газов (продуктов горения), предохраняющих нагретые поверхности от окисления. Учитывая высокую теплопроводность цветных металлов, при сварке их необходимо иметь более распределенный источник тепла, обогревающий более широкую зону вокруг сварочной ванны. Сварочное пламя лучше удовлетворяет этому условию, чем электрическая дуга одинаковой тепловой мощности. Однако необходимо отметить, что общая стоимость газовой сварки 1 м шва значительно выше стоимости электродуговой сварки, а производительность ниже. По указанным выше причинам объем применения газовой сварки на судостроительных заводах очень невелик. Для большинства работ, в том числе и для сварки цветных металлов, используется электрическая сварка.