Продолжение. Страница 2.
Н.В. Храмцов.Металлы и сварка.

Сварка металлов.
Сварка является одним из ведущих технологических процессов изготовления и упрочнения деталей, изготовления строительных конструкций, трубопроводов и судов,  ремонта деталей и конструкций. Эффективно использование технологических приемов сварки и при резке металлов.
Сваркой называется процесс получения неразъемного соединения деталей местным сплавлением или пластической деформацией. Наплавка — это разновидность сварки, заключающаяся в том, что на поверхность детали наносят слой металла, предназначенный для восстановления размеров изношенной детали или для повышения её износостойкости. Сварка происходит при молекулярном или атомном взаимодействии металлов, для чего необходимо расплавление или пластическая деформация деталей. Расплавление металла происходит при температурах выше Тпл.
При сварке плавлением расплавленный металл образует сварочную ванну, при кристаллизации которой происходит соединение поверхностей.
При пластическом деформировании как предварительно нагретых так и холодных металлов разрушаются окисные пленки и поверхности сближаются до расстояний возникновения межатомных связей и поэтому происходит прочное соединение деталей.
Распределение температуры в свариваемом металле зависит от мощности теплоисточника, физических свойств металла ( теплоемкость, температура плавления и др.),  размеров конструкции, скорости перемещения и т.д.
Отличия сварочной ванны от металлургической ванны следующие:
-малый объем и кратковременность существования ванны,поэтому плохо перемешивается металл, возможны поры (не успевают выделиться газы ) и шлаковые включения в сварном шве;
-значительная поверхность контакта расплавленного металла с атмосферой, поэтому происходит выгорание « полезных» кремния и магния и образование окислов железа (наличие кислорода в стали приводит к снижению её прочности, пластичности и коррозийной стойкости и сообщает стали красноломкость) и насыщение сварного шва азотом (увеличивается хрупкость ).
Сварной шов образуется за счет расплавления металла электрода и частично основного металла. В зоне сплавления кристаллизуются зерна, принадлежащие как основному, так и присадочному металлу. В зоне термического влияния из-за быстрого нагрева и охлаждения металла происходят структурные изменения металла.
Свойства сварного соединения определяются характером тепловых воздействий на металл в околошовных зонах. Следовательно, может быть прочный, пластичный сварочный шов, но из-за термических воздействий на деталь качество сварки в целом низкое.
Величина зоны термического влияния составляет при  ручной электродуговой  сварке для  обычного электрода  2...2,5 мм, а для  электродов с повышенной толщиной обмазки — 4...10 мм. При газовой сварке зона термического влияния существенно возрастает (до 20...25 мм).
В зоне термического влияния могут быть участки:
-старения  (200...300 °С);
-отпуска  (250...650 °С);
-неполной перекристаллизации (700...870 °С);
-нормализации (840...1000 °С);
-перегрева (1000...1250 °С);
-околошовный участок, примыкающий к линии сплавления   (от 1250 °С до 1600°С).
При сварке  возможны два предельных случая :
-резкая закалка при быстром охлаждении околошовного участка;
-перегрев при медленном охлаждении и образование крупных зерен аустенита.
Свариваемость—комплексная технологическая характеристика, отражающая реакцию свариваемых материалов на технологический процесс сварки, и возможность получения сварных соединений, удовлетворяющих условиям эксплуатации.
Три группы факторов, определяющих свариваемость :
1.Химический состав и  структура металла, наличие примесей, степень раскисления, предшествующие операции изготовления (ковка, прокатка, термообработка) деталей.
2.Сложность формы и жесткость конструкции, масса и толщина металла, последовательность выполнения сварных швов.
3.Технологический фактор: вид сварки и сварочные материалы, режимы термических воздействий на основной материал.

Степень свариваемости это качественная или количественная характеристика ответа на вопросы: «Как изменяются свойства металла при сварке?», «Выполнимо ли сварное соединение?».Основной  характеристикой свариваемости является  отсутствие холодных или горячих трещин при сварке.
Трещины, образующиеся при температурах  выше  800...900 °С называются горячими, а при  температурах ниже 200...300°С — холодными.
Холодные трещины образуются под влиянием трех факторов: закалочных явлений, присутствия  атомов  водорода и остаточными растягивающими напряжениями.
Чувствительность сварного соединения к образованиям холодных трещин оценивают эквивалентным содержанием углерода в детали:
Сэкв = С + Mn / 6 + (Cr + V + Mo) / 5 + (Ni + Cu ) / 15.
При Сэкв < 0,45 сталь сваривается без холодных трещин, а  при Сэкв > 0,45 — стали склонны к образованию холодных трещин. В этом случае необходим предварительный подогрев свариваемого изделия до температуры: Т= 350 (Собщ -0,25) ½ , где Собщ — общий эквивалент углерода, зависящий от Сэкв и толщины h свариваемых  деталей: Собщ = Сэкв ( 1 + 0,005 h ).

Деформации деталей конструкции при сварке происходят вследствие образования внутренних напряжений, причинами которых являются:
1. Температурные деформации из-за местного нагрева изделия;
2. Усадка наплавленного металла;
3. Фазовые превращения, происходящие в металле при охлаждении.

В результате местного нагрева при сварке происходит значительное местное расширение металла, в то время как остальная часть  изделия остается в холодном состоянии. Это приводит к образованию внутренних напряжений и к изгибам элементов конструкции.
Усадка металла,происходящая  вследствие уменьшения объема жидкого металла при затвердевании, является второй по значимости причиной появлений внутренних напряжений.
Полностью избежать деформаций при сварке не удается, но уменьшить их до приемлемых значений можно за счет использования  следующих конструкторских и технологических мероприятий:
-рациональной конструкции сварного узла;
-припуска на усадку шва по размерам и форме изделия;
-рациональной сборки и подготовки к сварке;
-выбора наиболее рационального способа сварки;
-предварительного, сопутствующего и последующего подогрева изделия;
-проковки зоны сварного шва (в горячем состоянии или после остывания);
-механической правки;
-термической правки;
-общей термообработки сварного изделия.
На 85...90% остаточные напряжения при сварке снижаются при высоком отпуске сварных конструкций ( нагрев до 550...680  °С и охлаждение на воздухе).
При  местном  отпуске нагревается часть конструкции около сварного соединения; после остывания  ее остаточные напряжения останутся, но будут меньшие по величине. Иногда проводят поэлементный отпуск отдельных сборочных элементов конструкции, а после этого окончательная сборка конструкции.Снижение деформаций происходит при проковке металла после сварки по горячему металлу или после полного остывания детали.

Основы электродуговой сварки и наплавки.
Сварка плавящими электродами выполняется как на переменном, так и на постоянном токе, а неплавящие электроды применяются только в специфических случаях ( на постоянном токе для угольных электродов и на постоянном и переменном токе для вольфрамовых электродов).
Следует иметь ввиду, что сварка на переменном токе технологически проще выполнима и почти в два раза экономичнее сварки на постоянном токе, но при сварке на постоянном токе более стабильно горит дуга.
Металл при сварке плавится при высоких температурах, а под её воздействием в зоне сварки происходит частичный распад молекул кислорода, азота и водорода на атомы;  химическая активность этих элементов повышается и происходит изменение состава металла. Из-за образования кислородом окислов выгорают углерод, марганец и другие элементы, снижается прочность и износостойкость детали.
Азот приводит к образованию нитридов, которые увеличивают твердость, но уменьшают пластичность металла и способствуют ускоренному старению металла шва. Из-за присутствия водорода   образуются газовые пузырьки  в металле и трещины. Для устранения этих  негативных явлений необходимо создавать защитную среду из газов и шлака.

В зависимости от рода защиты расплавленного металла от вредного воздействия воздуха различают следующие виды сварки и наплавки:
1. Электродом без покрытия или только со стабилизирующим покрытием.
2. Электродом со стабилизирующим и защитным покрытием.
3. Порошковыми электродами.
4. Под слоем флюса.
5. В среде защитных газов.
6. В среде охлаждающей жидкости.
7. В комбинированной среде.

Первые три вида используются в основном при ручной сварке и наплавке, а остальные — при механизированной.
Качество наплавки во многом определяется материалом электрода и покрытия.
Электроды разделяются на группы в зависимости от назначения и механических свойств наплавленного металла :
1. Электроды для сварки конструкционных сталей (УОНИ 13/55, ОМА-2,ОК-46.00, Вн-01-00).
2. Электроды для сварки высоколегированных сталей ( ОЗН-350, ОЗН-300)
3. Электроды для наплавки износостойких покрытий ( Т - 590, ЦН-5,)
4. Электроды для сварки чугуна  (МНЦ - 1, ОМИ - 1, ЦЧ – 4, ПАНЧ-11)
5. Электроды для сварки алюминевых сплавов (ОЗА - 1, А - 2, Ал - 2).

Электроды первых трех групп чаще всего изготовляются из малоуглеродистой сварочной  проволоки Св — 08 , Св — 10 (цифра показывает содержание углерода в сотых долях %.).

Покрытия электродов могут быть двух видов:
1 — стабилизирующее, способствующее устойчивому горению дуги;
2 — защитное, предохраняющее расплавленный слой от кислорода и азота воздуха и имеющее  раскисляющие, легирующие и другие элементы.
Стабилизирующее покрытие состоит из веществ (калий, кальций и др.), атомы которых легко ионизируются и тем самым облегчается возбуждение и горение дуги. Сухой воздух не является проводником электрического тока, но если в нем имеются ионизированные атомы, то электрический ток проходит.
Простейшую стабилизирующую обмазку электродов изготовляли из 80...85 частей мела и 15...20 частей жидкого стекла. Однако это покрытие не защищает металл от воздействия воздуха; сварка выполняется, но шов получается хрупким.

Защитное покрытие является более сложным по составу и включает в себя различные вещества:
1. Связывающие (жидкое стекло);
2. Стабилизирующие горение дуги (сода, поташ);
3. Газообразующие (крахмал, пищевая мука, целлюлоза, уголь);
4. Шлакообразующие (полевой шпат, плавиковый шпат, кварц);
5. Раскисляющие и легирующие (ферромарганец, ферросилиций, ферротитан, феррохром).

Источниками  питания электрической дуги являются :
1.Сварочные  трансформаторы. Напряжение первичной обмотки 220 В в однофазных трансформаторах или 380 В  в двух и трехфазных трансформаторах понижается до более низкого напряжения  (40...90  В холостого хода) . Во вторичной обмотке в несколько раз меньше витков, чем у первичной обмотки,  а провод изготовляется значительно большего сечения, т.к. сварочные токи измеряются сотнями и тысячами ампер. Сила сварочного тока регулируется несколькими способами: переключением вторичных обмоток (изменение числа витков), изменением воздушного зазора между подвижным пакетом и неподвижным  магнитопроводом, перемещением катушек вторичной обмотки и  включением магнитного дросселя в сварочную цепь.
2.Сварочные преобразователи, представляющие собой  установку, в которой  ротор сварочного генератора постоянного или переменного тока приводится во вращение электродвигателем. Сила  тока  регулируется с помощью обмоток возбуждения.
3.Сварочные выпрямители, состоящие из понижающего одно-, двух- или трехфазного трансформатора и блока выпрямителей ( диоды, селеновые, германиевые или  кремниевые пластины ).
4.Сварочные агрегаты, состоящие из генератора постоянного или переменного тока, приводимого  в действие карбюраторным или дизельным двигателем.
Сварка может выполнятся как на переменном, так и на постоянном токе. По возможности следует проводить сварку на переменном токе, т.к. она раза в  два экономичнее сварки на постоянном токе. Следует иметь ввиду, что температура дуги выше на аноде, чем на катоде. Поэтому при необходимости глубокого проплавления металла применяют прямую полярность: плюс (анод) на деталь, а минус (катод) на электрод. Для уменьшения перегрева детали применяют обратную полярность: минус присоединяют к деталям, а плюс на электрод.

Для повышения производительности ручной дуговой сварки применяют ряд способов :
1. Сварка с глубоким проплавлением. Используется электрод ОЗС с повышенной толщиной покрытия, у которого расплавление обмазки несколько отстает от расплавления электрода, поэтому дуга плавится как бы внутри чехла. Действие дуги концентрируется и меньше потерь тепла, поэтому глубина проплавления увеличивается.
2. Сварка лежачим электродом. Электрод с повышенной толщиной обмазки укладывается в разделку шва, возбуждают дугу, которая горит и по мере расплавления электрода перемещается по его длине.
3. Сварка пучком электродов. Берется несколько электродов, сваривают концы, при сварке получается дуга, плавающая по электродам.
4. Сварка ванным способом. В месте соединения арматурных и других стержней делают ванночку  из стальной  или медной ленты, либо используют керамическую разъемную форму. Между стыками стержней оставляют зазор около 1,5 диаметра электрода с покрытием; при горении дуги в этом пространстве образуется ванна жидкого металла. Для того, чтобы ванна не успевала остыть, берут толстые электроды или пучок электродов, используют повышенный ток и без задержек меняют электроды.
5. Сварка трехфазной дугой. Используется специальный электрод, состоящий из двух электрически изолированных между собой.
6. Сварка порошковой проволокой. Наружная оболочка является проводником электрического тока, защитным устройством для сердечника. Защитное покрытие находится внутри электрода. Очень эффективно использовать порошковую проволоку для сварки в среде углекислого газа. Это позволяет применять более высокие плотности тока, уменьшается разбрызгивание металла, улучшаются механические свойства. Сварка порошковой проволокой весьма удобна, т.к. упрощается конструкция сварочного оборудования.

Для сварки и наплавки конструкционных сталей применяются следующие типы электродов:
-для низколегированных сталей-Э-34, Э-38,Э- 42,Э- 42А,Э- 46,Э- 46А;
-для среднеуглеродистых и низколегированных сталей-Э-50,Э- 50А,Э- 55;
-для легированных сталей повышенной прочности- Э-60,Э- 60А,Э- 70,Э- 85, Э-100,Э- 125,Э- 145,Э-150.
Цифра в обозначении типов электродов показывает значение предела прочности разрыву  (σв ) в  кГс/мм2, а индекс А  в конце обозначения -повышенную пластичность материала сварного шва.
Каждому типу электродов может соответствовать несколько марок.
Например, к типу Э-42А относится электроды марок УОНИ-13/45, ОЗС-2, СМ-11 и др., а к типу Э-46 — электроды АНО-3, АНО-4 и др.

Особенности сварки чугуна и алюминия.
Из чугуна изготовляются многие базисные детали строительно-дорожных машин, тракторов, автомобилей  и технологического оборудования. При эксплуатации этих машин  у чугунных деталей  появляются  трещины, изломы, износы, которые необходимо устранять.Сварка чугуна затруднена вследствие следующих причин:
1-склонности чугуна к отбеливанию;
2-трещинообразования при сварке;
3-резкого перехода при нагреве из твердого состояния в жидкое.

Чугун называется отбеленным, если большая часть углерода в нем находится  в химически связанном состоянии, т.е. в виде цементита  Fe3C.
Отбеливание происходит при быстром охлаждении расплавленного чугуна.
Углерод не успевает выделится в виде графита, а выделяется в виде цементита, ледебурита и мартенсита; чугун становится твердым и не поддается механической обработке. В сером чугуне углерод находится в виде графита. Графитизация чугуна происходит не только при переходе чугуна из жидкого состояния в твердое, но и при дальнейшем охлаждении, причем чем медленнее охлаждается деталь, тем полнее происходит графитизация. Холодная масса чугунной, чаще всего большой по массе детали,  ускоренно отводит тепло сварки, поэтому происходит интенсивное отбеливание сварного шва, а вследствие различия коэффициентов расширения серого и белого чугунов возникают внутренние трещины.

Избежать этих затруднений при сварке чугуна можно двумя способами :
1. Выполнять горячую сварку металла с последующим медленным охлаждением после сварки;
2. Выполнять холодную сварку чугуна, но вводить в шов элементы, препятствующие образованию цементита, или использовать способы упрочнения швов.

Горячая сварка чугуна проводится на  предварительно  нагретых до 600...650 °С деталях. После  сварки происходит охлаждение всей массы нагретой детали, поэтому скорость охлаждения сварного шва будет ниже, чем при холодной сварке. В сварном шве успевает произойти графитизация, скорость усадки уменьшается и поэтому не образуется трещин в околошовной зоне.
Горячая сварка позволяет получить наилучшие результаты, но процесс технологически сложный и очень трудоемкий, поэтому широкого распространения не получила.

Чаще применяется  холодная сварка чугуна, выполняемая следующими способами:
1.Стальным малоуглеродистым электродом.
2. Специальными электродами ПАНЧ-11, МНЧ-1, МНЧ-2, ОЗЧ-1 и др.
3. Биметаллическим электродом или  пучком электродов.

Для повышения надежности сварки стальными малоуглеродистыми электродами в разделанные кромки шва ставят резьбовые шпильки или используется способ отжигающих валиков.
Газовую ацетилено-кислородную сварку чугуна ведут нейтральным пламенем или с небольшим избытком ацетилена. Присадочный материал — чугунные прутки диаметром 6 …8 мм. При газовой  сварке  используются  флюсы:
1 - бура;
2 - смесь 50 % буры, 47 % двууглекислого натрия и 3 % окиси кремния;
3 - смесь 56 % буры, 22 % углекислого натрия и 22 % углекислого калия.

Трудность сварки алюминия заключается в следующем :
1. На поверхности детали образуется  тугоплавкая окись алюминия, высокая температура (2050...2060 °С) плавления которой препятствует образованию сварочной ванны и соединению кромок свариваемого материала, который расплавляется при  более низкой температуре ( 650...660 °С).
2. Алюминий и его сплавы жидкотекучи, не меняют своего цвета, оставаясь серебристо-белыми. Это затрудняет сварку и визуальное определение момента сварки и заплавления  шва.
3. Высокая теплопроводность алюминия и быстрый отвод тепла приводят к большим внутренним напряжениям, к короблению деталей и к появлению трещин.

Несмотря на эти затруднения можно получить качественные сварные швы одним из способов :
1-газовой сваркой как без флюса, так и с флюсом;
2-электродуговой сваркой плавящим электродам;
3-электродуговой сваркой неплавящим угольным электродом;
4-аргонно-дуговой сваркой.

Газовую сварку без флюса проводят восстановительным пламенем с небольшим избытком ацетилена.



« предыдущая
 следующая »