Влияние напряжения дуги на содержание азота и образование пор при сварке среднеуглеродистых сталей

Напряжение дуги (V)	Содержание азота в шве (%)	Наличие пор в шве
26…28	0,07	Отсутствуют
30…32	0,11	Отсутствуют
34…36	0,26	Отсутствуют
43…44	0,55	Имеются

Данные, аналогичные приведенным в табл. 3.17, характерны и для образования пор в сварочных швах и для других газов.

Вследствие изложенного можно отметить, что зоны качественной сварки возможны в интервалах 24…36 В, исходя их эффективной тепловой мощности электрической дуги Q_э.

На глубину проплавления шва h_п (мм) оказывают влияние сила сварочного тока I_св (амперы) и условия сварки и наплавки. Соотношение h_п/В, где В – ширина шва (мм), изменяется при увеличении силы тока I_св, как это показано в табл. 3.18 при ремонте деталей двигателей.

Таблица 3.18

Изменение глубины проплавления h_п и ширины шва В в зависимости от величины I_св

Сварочный ток Iсв (А)	hп/В
230	0,30
270	0,35
300	0,60
350	0,80
410	1,00
500	1,20

Сила сварочного тока I_св в зависимости от применяемого диаметра электрода d может быть выбрана по выражению

I_св 110d + 10d². (3.68)

Таким образом, при сварке сплавов железа и сталей для обеспечения высокого качества сварочных и наплавочных швов величины сварочного тока I_св следует выбирать в пределах от  200 и до  550 А, кроме сварки тонкостенных деталей и наложения тонких швов при наплавке.

Для ремонта деталей газовой сваркой используют в основном газо-ацетиленовые горелки, мощность которых определяют по пропускной способности ацетилена (литры в час) Q_л, по выражению

, (3.69)

где S – толщина свариваемого металла (мм); А – коэффициент коррекции потребного расхода ацетилена в час для сварки металла толщиной 1 мм с учетом теплопроводности и температуры плавления. Величина А – может быть выбрана для углеродистой стали: 100…120; для высоколегированных сталей: 75; для чугуна и меди: 130…150; для сварки алюминия и его сплавов: 100…110. По полученному расходу ацетилена выбирают номер наконечника сварочной горелки (табл. 3.19).

Таблица 3.19

Влияние условий сварки на расход газа q (л/ч)

Параметры сварки	Наконечники горелок 0, 1, 2			Наконечники горелок 3, 4		Наконечники горелок 5, 6
Расход ацетилена (литры в ч)	20…65	50…135	135…250	250…400	400…700	700…1100	1150…1750
Толщина сварива­емого материала (мм) для сталей и чугунов	0,2…0,7	0,5…1,0	1,0…3,0	2,5…4,0	4,0…7,0	7,0…11,0	10,0…18,0

Для газовой сварки и наплавки справедливы все соотношения по формированию швов, которые используются для электросварки, за исключением характеристик источников тепла, кроме того, обязательно применение присадочных прутков, играющих роль плавящихся электродов [15].

Эквивалентная мощность Q_э.г газовой сварки (ккал/ч) определяется по формуле

, (3.70)

где G_г – часовой расход газа в горелке (кг); H_u – низшая теплотворная способ­ность топлива (ккал/кг); _t – термический КПД процесса.

Как известно, газовая горелка создает три зоны пламени, начиная от кромки сопла:

• науглероженное («богатая смесь») с коэффициентом избытка воздуха 0,75…0,9;

• нормального состава – с коэффициентом избытка воздуха  1,0;

• обедненного состава («зона догорания») с коэффициентом избытка воздуха 1,15 и более.

При пламени нормального состава на единицу объема ацетилена требуется 2,5 объема кислорода; из горелки при этом поступает 1,15 объема, остальной кислород для горения поступает из воздуха.

Для сварки серых чугунов различной структуры (перлитных, ферритных, перлитно-ферритных и модифицированных) необходимо иметь в виду, что количество цементита (Fe₃C) в сплаве увеличивается при расплавлении чугуна. При охлаждении цементит распадается на железо (Fe) и графит (С). Чем медленнее происходит процесс охлаждения чугуна, тем больше выделяется графита при застывании и тем мельче размеры включений графита и меньше количество твердого цементита входит в состав чугуна. Медленное охлаждение улучшает структурные свойства чугуна, способствует сохранению первоначальных свойств ковких и модифицированных чугунов, повышает однородность материала, так как сводит к минимуму количество цементита в материале детали. Углерод и кремний, вводимые в состав сварочных флюсов, также способствуют распаду цементита при охлаждении чугунов, так же, как и введение кремния в состав чугуна. Введение в чугун кремния (до 40 %) исключает образование твердого цементита – весь углерод переходит в графит. Наличие марганца в сварочных флюсах должно быть исключено, так как воздействие марганца способствует сохранению в чугуне твердых включений цементита после охлаждения детали.

По своему действию флюсы для газовой сварки подразделяются на две группы: вещества, вступающие в химические соединения с окислами (так называемые «раскислители» сварочных ванн) и флюсы-растворители.

Флюсы первой группы очищают швы посредством образования шлаков, которые всплывают на поверхность сварочной ванны. В состав флюсов входят борная кислота (Н₃ВО₃), бура (Na₂B₄O₇10H₂O), кварцевый песок (SiO) и другие вещества. К группе флюсов-растворителей относят фтористые и хлористые соединения. В качестве материалов присадочных прутов используют чугунные и стальные стержни.

Для сварки алюминиевых сплавов и алюминия, вследствие большой тугоплавкости пленки (2050 С) окислов (Al₂O₃) по сравнению с температурами плавления основного материала детали (670…850 С), используют флюсы-растворители, содержащие фтор (F), а для сварки и наплавки медных сплавов – буру. Сварку медных и алюминиевых деталей осуществляют после разделки кромок, их мойки, очистки и травления. Химическое травление алюминиевых деталей перед сваркой осуществляют в 7…10 % растворах NaOH при 75 С с обязательной последующей промывкой. Алюминиевые сплавы с пониженным содержанием кремния, например, сплав АЛ-1, при быстром охлаждении имеют повышенную склонность к образованию трещин. Сплавы АЛ-4 и АЛ-9, содержащие 8…10 % кремния (Si), более устойчивы к нагреванию при сварке с точки зрения образования трещин. Соответственно возрастает и их стойкость температурным нагружениям при работе отремонтированных деталей двигателей. Фторосодержащие флюсы АФ-1, АФ-2, АФ-3, АФ-4 и использование аргона в качестве защитной среды при сварке и наплавке еще более повышают качество ремонта алюминиевых деталей процессами сварки и наплавки. В качестве присадочного материала при подобных технологических процесса используют стержни из силумина, содержащие (5,0…5,5) % Si и (7…9) % Cu. В состав флюса АФ-4 входят: хлористый калий (KCl) – 50 %; хлористый натрий (NaCl) – 28 %; хлористый литий (LiCl) – 14 % и фтористый натрий (FaN) – 8 %. Флюс замешивают на воде (H₂О) и в виде пасты наносят на кромки детали и на присадочный пруток непосредственно перед сваркой. При автоматизированной сварке алюминиевых сплавов возможна передача флюса АФ-4 и других непосредственно из бункера сварочной установки в зону сварки. При этом желательно укрепление электровибратора на стенке бункера и обязательное наличие вентиляционного устройства на крышке емкости. Перед нанесением флюса на деталь ее подогревают газовой горелкой или с помощью электронагрева до 300…350 С. Мощность Q_л газовой горелки для сварки медных и алюминиевых сплавов выбирают из расчета 75…100 литров газа на каждый миллиметр толщины свариваемой детали. Состав пламени горелки – нормальный, остатки флюса после сварки должны быть удалены. Для исключения коррозии наложенных швов на алюминиевых деталях места сварки должны быть обработаны 10 % соединением HNO₃ с последующей промывкой в горячей воде.

В процессе совместных работ авторемонтными бюро при управлениях главных технологов ГАЗ, ЗМЗ, БорАРЗ сотрудниками автомобильного факультета НГТУ были даны рекомендации по оптимизации процессов ремонта автомобильных двигателей процессами сварки и наплавки. Так, например, для Борского АРЗ было предложено проводить восстановление «сколов» на выступающих частях блоков цилиндров медно-никелевыми электродами, а заварку «несквозных» трещин на боковой поверхности чугунных блоков двигателей ЗИЛ-130 комбинированными медно-стальными электродами. По результатам проведенных испытаний это обеспечило требуемое качество восстановленных блоков. Для восстановленных блоков двигателей типа ГАЗ-66 из алюминиевых литейных сплавов на авторемонтных предприятиях некоторых ведомств было предложено ввести выборочный статистический контроль после операции сварки в защитной среде аргона для исключения случаев попадания некачественных деталей на сборку.