Сущность процесса сварки. Виды сварки и сварных соединений.

1. Сваркой называют процесс получения не­разъемных соединений посредством установления меж­атомных связей между свариваемыми частями при их местном (общем) нагреве или пластическом деформиро­вании, а также при совместном действии того и другого.

Физическая сущность процесса сварки заключается в сближении соединяемых поверхностей на расстояние, в пределах которого начинают действовать силы меж­атомного сцепления. Для необходимого сближения со­единяемых поверхностей производят тепловое или меха­ническое воздействие на металл в зоне соединения.

К термическому классу (сварке плавлением) относятся следующие виды сварки: дуговая, электрошла­ковая, электронно-лучевая, плазменно-лучевая, газовая, термитная. К термомеханическому классу относятся: контактная, газопрессовая, печная и др. К механическому классу (сварке давлением) относятся: холодная, взрывная, ультразвуковая, трением.

2. Металлургические процессы при сварке отличаются следующими особенностями: малым объемом расплав­ленного металла сварного шва, высокой температурой зоны сварки, непродолжительным нахождением металла в расплавленном состоянии, активным взаимодействием расплавленного металла с окружающей средой, быстрым отводом теплоты от расплавленного металла сварочной ванны в прилегающей к ней зоны твердого основного металла.

В процессе сварки происходит окисление металла за счет кислорода атмосферы, двуокиси углерода, паров воды, высших окислов. Окислы и газы, остающиеся в сварном шве, резко ухудшают его механические свой­ства.

На качество сварных соединений большое влияние оказывает содержание серы и фосфора. Сера, соединяясь с железом, образует сульфид железа FеS, который является причиной образования горячих трещин. Вредное влия­ние оказывает и фосфор, снижающий ударную вязкость металла шва.

В процессе сварки возникают внутренние напряжения в металле и изменения формы и размеров сварного изделия, называемые деформациями. К неиз­бежным причинам относятся: неравномерный нагрев; тепловая усадка шва; структурные изменения ме­талла шва и около шовной зоны и т. д. К сопутствующим причинам относятся: неправильный расчет конст­рукции сварных узлов (близкое расположение швов, их частое пересечение, неправильно выбранный тип соеди­нения и др.); применение устаревшей техники и техно­логии сварки (неверно выбраны способы наложения слоев и диаметр электрода, не соблюдаются режимы сварки и др.); низкая квалификация сварщика; наруше­ние геометрических размеров сварных швов. Для уменьшения сварочных деформаций имеют правильный порядок наложения сварных швов, а также применение термической обработки после сварки (отжиг, нормали­зация).

Сварное соединение — неразъемное соеди­нение, выполненное сваркой. Применяют следующие виды свар­ных соединений: стыковые, тавровые, угловые, внахлестку, прорезные, торцовые, с накладками и пробочные (рис. 33).

Сварной шов – участок сварного соединения, обра­зовавшийся в результате кристаллизации металла сва­рочной ванны. По расположению в пространстве сварные швы бывают: нижние, горизонтальные, вертикальные и потолочные.

Рис. 33. Классификация сварных соединений:

а – стыковые; б – тавровые; в – угловые; г – нахлесточные; д – прорезные;

е – торцовые; ж – с накладками; з – пробочные.

3. Дуговой сваркой называют сварку плавлением, при которой нагрев осуществляется электрической дугой, представляющей собой длительный устойчивый электрический разряд между двумя электродами в ионизированной атмосфере газов и паров металла. Явление электрической дуги открыл В. В. Пет­ров в 1802 г. Русский инженер Н. Н. Бенардос в 1882 г. первым в мире применил электрическую дугу для свар­ки металлов угольным электродом на постоянном токе. В 1888 г. русским инженером Н. Г. Славяновым был разработан способ дуговой сварки металлическим элек­тродом.

Процесс зажигания дуги в боль­шинстве случаев включает три этапа: короткое замы­кание электрода на заготовку, отвод электрода на рас­стояние 3...6 мм и возникновение устойчивого дугового разряда.

4. Сварочный пост для ручной дуговой свар­ки включает в себя:

1. Стол сварщика.

2.Источники питания сварочной дуги:

Сварочные трансформаторы – источники питания сварочной дуги переменного тока, понижающие напря­жение сети с 220, 380, 500 В до 60...80 В, необходимое для возбуждения дуги.

Осцилляторы – аппараты, которые применяют для питания сварочной дуги током высокой частоты (150…450 кГц) и высокого напряжения (2...8 тыс. В). Ток высокой частоты и высокого напряжения позволяет возбуждать дугу без касания электродом изделия и поддерживать ее без усилий. Создаваемое осциллятором высокое на­пряжение не опасно для человека ввиду малой электрической мощности осциллятора, которая не превышает 150 Вт.

Сварочные преобразователи служат для преобразования переменного тока в постоянный.

Сварочные агрегаты состоят из генератора постоян­ного тока и двигателя внутреннего сгорания, валы кото­рых соединены эластичной муфтой.

Сварочные выпрямители – агрегаты, которые с по­мощью полупроводниковых элементов преобразуют переменный ток в постоянный.

3. Электрододержатели –предназначены для зажима электрода и подвода к нему тока в процессе ручной дуговой сварки.

4. Сварочные щитки и шлемыприменяют для защиты глаз и кожи лица сварщика от лучей сварочной дуги и брызг расплавленного металла.

5. Сварочные проводаслужат для подвода тока от ис­точника питания сварочной дуги к электрододержателю изделию.

Для зачистки сварочных швов и удаления шлака используют проволочные щетки, зубила и молотки. Инструментами сварщика являются также линейки, угольники, шаблоны и др.

5. Электроды для дуговой сварки можно разделить на две основные группы: плавящиеся и неплавящиеся. Неплавящиеся электродные стержни делают из воль­фрама, электротехнического угля или синтетического графита. Угольные и графитовые стержни изготовляют диаметром от 4 до 18 мм, длиной 250 и 700 мм. Графи­товые электроды имеют лучшую электропроводность и более стойки против окисления при высоких темпера­турах, чем угольные.

Плавящиеся электроды бывают стальные, чугунные, алюминиевые, медные и др. Их изготовляют из свароч­ных проволок. Преимущественное применение имеют стальные электроды, стержни которых делают из элек­тродной проволоки диаметром от 1,6 до 12 мм и длиной от 150 до 450 мм.

Металлические электроды подразделяют на голые и с покрытием. Голые электроды при ручной дуговой сварке не применяют. Покрытия электродов служат для повышения устойчивости горения дуги, защиты наплав­ленного металла от вредного действия кислорода и азо­та, для легирования металла сварного шва.

В зависимости от химического состава флюсы для электрошлаковой сварки бывают следующих видов:

• высококремнистые марганцевые – АН-348, ФЦ-7 и др.;
• низкокремнистые марганцевые – АН-8, АН-22, ФЦ-21 и др.;
• низкокремнистые безмарганцевые – АН-9, АН-25 и др.;
• фторидные – АНФ-5, АНФ-14, АНФ-П и др.

Наряду с требованиями по надежной защите расплавленного металла, оптимального металлургического и химического взаимодействия и обеспечения необходимых механических свойств сварного соединения к флюсу для электрошлаковой сварки предъявляется и ряд технологических требований:

• обеспечивать стабильное протекание электрошлакового процесса;
• герметизировать полость сварочной и шлаковой ванны и предотвращать их протекание в зазор между изделием и ползунами, не отжимать ползуны;
• обеспечивать легкое отделение шлаковой корки от поверхности шва.

Данные требования являются наиболее важными и обеспечиваются, прежде всего, соответствующим выбором значений электропроводности и вязкости флюсов.

При электрошлаковой сварке выделение тепла осуществляется не дугой, а шлаковой ванной в результате прохождения через нее тока. Поэтому стабильность процесса определяется не наличием элементов с низким потенциалом ионизации, как при дуговой сварке, а электропроводностью флюса. Чем выше (до определенного уровня) электропроводность жидкого флюса, тем более устойчив процесс электрошлаковой сварки. Однако при чрезмерно высоких значениях электропроводности флюса (например, керамического, содержащего значительное количество ферросплавов) снижается тепловыделение в шлаковой ванне, что может привести к образованию непроваров.

На приведенном ниже графике видно, что наибольшей электропроводностью обладают фторидные флюсы. Они обеспечивают наилучшую устойчивость процесса электрошлаковой сварки, но получили ограниченное применение (например, для сварки высоколегированных аустенитных сталей) из-за необходимости в низком напряжении сварки, что затрудняет получение требуемого провара кромок.

Рисунок. Зависимость электропроводности флюсов от температуры

В то же время должна быть оптимальной и вязкость расплавленного флюса. С одной стороны, он не должен быть слишком жидкотекучим, чтобы не вытекать в зазор между изделием и подвижным ползуном. С другой стороны, при высокой вязкости расплавленного флюса и быстром его затвердевании при снижении температуры может происходить отжимание ползунов от свариваемых кромок, а также возможно появление подрезов у поверхности шва и шлаковых включений. Поэтому, с точки зрения данного требования, необходимо подбирать флюсы с не очень «коротким» шлаком, т. е. вязкость которого медленно изменяется с уменьшением температуры. При этом фторидные флюсы (например, АНФ-П) оказываются наихудшими, поскольку имеют «короткий» шлак (с быстрым возрастанием вязкости при снижении температуры).

Рисунок. Зависимость вязкости флюсов от температуры

Отделяемость шлаковой корки зависит от толщины окисной пленки на поверхности металла шва и, главным образом, от содержания во флюсе оксидов марганца Mn₂O₃ и MnO. Чем меньше их количество во флюсе, тем лучше отделимость шлаковой корки.

Для начала электрошлакового процесса может использоваться флюс АН-25. Он является электропроводным даже в твердом состоянии в отличие от многих других флюсов, предназначенных для электрошлаковой сварки. При отсутствии флюса АН-25 возможно начало сварки с дугового процесса, который прекращается после засыпки флюса и его расплавления и переходит в электрошлаковый процесс в результате шунтирования дуги расплавленным электропроводным флюсом («твердый» старт). Часто применяется «жидкий» старт, когда заливается предварительно расплавленный флюс.

Для сварки используются как специальные флюсы (АН-8, АН-8М, АН-22 и др.), так и некоторые флюсы для дуговой сварки, пригодные для электрошлакового процесса (АН-348А, АНФ-1, ФЦ-7, 48-ОФ-6 и др.). Как и при дуговой сварке, чем более легированная сталь, тем больше фторидов CaF₂ и меньше оксидов MnO и SiO₂ должно содержаться во флюсе.

При сварке углеродистых и низколегированных сталей флюсы АН-8, АН-8М, АН-22, 48-ОФ-6 предпочтительнее, чем флюсы ФЦ-7 и АН-348-А. Последние менее пригодны при сварке с повышенной скоростью подачи проволоки, а также для сварки протяженными швами. Флюсы АН-22 и 48-ОФ-6, кроме того, лучше способствуют снижению содержания серы в шве. При сварке углеродистых сталей положительные результаты достигаются и с применением флюсов АН-47 и АН-348-В.

Для средне- и высоколегированных сталей используют флюсы 48-ОФ-6, АНФ-1, АНФ-7 и др. При сварке коррозионностойких сталей могут применяться флюсы марок 48-ОФ-6, АНФ-6, АНФ-7, АНФ-8, АНФ-14, а жаростойких сталей – флюсы АНФ-7, АНФ-8, АНФ-Ш, АН-292 и др. Для легированных сталей повышенной прочности (20Х2М, 25ХНЗМФА и др.) может использоваться флюс АН-9.

Электрошлаковая сварка и наплавка чугуна может выполняться с помощью флюсов АН-75, АНФ-14. Для сварки титана используют флюсы марок АНТ-2, АНТ-4 и др., для алюминия – флюсы АН-А301, АН-А302 и др.

Расход флюса при электрошлаковой сварке примерно в 10–20 раз меньше по сравнению с дуговой сваркой.

Таблица. Химический состав некоторых флюсов, применяемых при электрошлаковой сварке

Флюс	Химический состав, %
кремнезем SiO2	глинозем Al2O3	MnO	CaO	MgO	CaF2	Fe2O3**	S	P
АН-8 *	33–36	11–15	21–26	4–7	5–8	13–19	1,5–3,5	≤ 0,10	≤ 0,12
АН-22 *	18–22	19–23	7–9	12–15	12–15	20–24	≤ 1,0	≤ 0,05	≤ 0,05
АН-348-А *	40–44	≤ 6	31–38	≤ 12	≤ 7	3–6	0,5–2,0	≤ 0,12	≤ 0,12
АН-348-В *	40–44	≤ 8	30–34	≤ 12	≤ 7	3–6	0,5–2,0	≤ 0,12	≤ 0,13
ФЦ-7	46–48	≤ 3	24–26	≤ 3	16–18	5–6	≤ 2	≤ 0,1	≤ 0,1
ФЦ-21	17–21	15–20	9–13	10–14	2–5	32–40	≤ 2,0	≤ 0,02	≤ 0,02
48-ОФ-6	3,5–6,0	20–24	≤ 0,3	16–20	≤ 2,0	50–60	≤ 1,0	≤ 0,025	≤ 0,025
АНФ-1	≤ 1,5	–	–	4–6	–	92–96	–	≤ 0,05	≤ 0,05
* – согласно ГОСТ 9087-81 «Флюсы сварочные плавленые. Технические условия»
** – для значений по ГОСТ 9087-81 содержание оксидов железа приведено в пересчете на Fe2O3
*** – для флюса АН-348-В содержание TiO2 составляет 0,5–6% по массе

Таблица. Области применения флюсов при электрошлаковой сварке

Флюс	Характерная область применения
АН-8	углеродистые и низколегированные стали
АН-22	низко- и среднелегированные стали
АН-348-А АН-348-В	углеродистые низколегированные стали
ФЦ-7	низкоуглеродистые и углеродистые стали
ФЦ-21	теплоустойчивые стали перлитного класса
48-ОФ-6	различные типы сталей (низко- и высоколегированные, углеродистые и др.)
АНФ-1	высоколегированные стали

Дата добавления: 2015-10-16