При электрической дуговой сварке энергия, необходимая для образования и поддержания дуги, поступает от источников питания постоянного или переменного тока.
В процессе электрической дуговой сварки основная часть теплоты, необходимая для нагрева и плавления металла, получается за счет дугового разряда (дуги), возникающего между свариваемым металлом и электродом. При сварке плавящимся электродом под воздействием теплоты дуги кромки свариваемых деталей и торец (конец) плавящегося электрода расплавляются и образуется сварочная ванна. При затвердевании расплавленного металла образуется сварной шов. В этом случае сварной шов получается за счет основного металла и металла электрода.
К плавящимся электродам относятся стальные, медные, алюминиевые; к неплавящимся — угольные, графитовые и вольфрамовые. При сварке неплавящимся электродом сварной шов получается только за счет расплавления основного металла и металла присадочного прутка.
При горении дуги и плавлении свариваемого и электродного металлов необходима защита сварочной ванны от воздействия атмосферных газов — кислорода, азота и водорода, так как они могут проникать в жидкий металл и ухудшать качество металла шва. По способу защиты сварочной ванны, самой дуги и конца нагреваемого электрода от воздействия атмосферных газов дуговая сварка разделяется на следующие виды: сварка покрытыми электродами, в защитном газе, под флюсом, самозащитной порошковой проволокой и со смешанной защитой.
Покрытый электрод представляет собой металлический стержень с нанесенной на его поверхность обмазкой. Сварка покрытыми электродами улучшает качество металла шва. Защита металла от воздействия атмосферных газов осуществляется за счет шлака и газов, образующихся при плавлении покрытия (обмазки). Покрытые электроды применяются для ручной дуговой сварки, в процессе которой необходимо подавать электрод в зону горения дуги по мере его расплавления и одновременно перемещать дугу по изделию с целью формирования шва (рис. 1).
При сварке под флюсом сварочная проволока и флюс одновременно подаются в зону горения дуги, под воздействием теплоты которой плавятся кромки основного металла, электродная проволока и часть флюса. Вокруг дуги образуется газовый пузырь, заполненный парами металла и материалов флюса. По мере перемещения дуги расплавленный флюс всплывает на поверхность сварочной ванны, образуя шлак. Расплавленный флюс защищает зону горения дуги от воздействия атмосферных газов и значительно улучшает качество металла шва. Сварка под слоем флюса применяется для соединения средних и больших толщин металла на полуавтоматах и автоматах (рис. 2).
Сварку в среде защитных газов выполняют как плавящимся электродом, так и неплавящимся с подачей в зону горения дуги присадочного металла для формирования сварного шва.
Сварка может быть ручной, механизированной (полуавтоматом) и автоматической. В качестве защитных газов применяют углекислый газ, аргон, гелий, иногда азот для сварки меди. Чаще применяются смеси газов: аргон + кислород, аргон + гелий, аргон + углекислый газ + кислород и др. В процессе сварки защитные газы подаются в зону горения дуги через сварочную головку и оттесняют атмосферные газы от сварочной ванны (рис. 3).
При электрошлаковой сварке тепло, идущее на расплавление металла изделия и электрода, выделяется под воздействием электрического тока, проходящего через шлак. Сварка осуществляется, как правило, при вертикальном расположении свариваемых деталей и с принудительным формированием металла шва (рис. 4). Свариваемые детали собираются с зазором. Для предотвращения вытекания жидкого металла из пространства зазора и формирования сварного шва по обе стороны зазора к свариваемым деталям прижимаются охлаждаемые водой медные пластины или ползуны. По мере охлаждения и формирования шва ползуны перемещаются снизу вверх.
Обычно электрошлаковую сварку применяют для соединения деталей кожухов доменных печей, турбин и других изделий толщиной от 50 мм до нескольких метров. Электрошлаковый процесс применяют также для переплава стали из отходов и получения отливок.
Электронно-лучевая сварка производится в специальной камере в глубоком вакууме (до 13-10-5 Па). Энергия, необходимая для нагрева и плавления металла, получается в результате интенсивной бомбардировки места сварки быстро движущимися в вакуумном пространстве электронами. Вольфрамовый или металлокерамический катод излучает поток электронов под воздействием тока низкого напряжения. Поток электронов фокусируется в узкий луч и направляется на место сварки деталей. Для ускорения движения электронов к катоду и аноду подводится постоянное напряжение до 100 кВ. Электронно-лучевая сварка широко применяется при сварке тугоплавких металлов, химически активных металлов, для получения узких и глубоких швов с высокой скоростью сварки и малыми остаточными деформациями (рис. 5).
Рис. 5. Схема формирования пучка электронов при электронно–лучевой сварке: 1 – катодная спираль; 2 – фокусирующая головка; 3 – первый анод с отверстием; 4 – фокусирующая магнитная катушка для регулирования диаметра пятна нагрева на детали; 5 – магнитная система отклонения пучка; 6 – свариваемая деталь (анод); 7 – высоковольтный источник постоянного тока; 8 – сфокусированный пучок электронов; 9 – сварной шов
Лазерная сварка — эта сварка плавлением, при которой для нагрева используется энергия излучения лазера. Термин «лазер» получил свое название по первым буквам английской фразы, которая в переводе означает: «усиление света посредством стимулированного излучения».
Современные промышленные лазеры и системы обработки материалов показали существенные преимущества лазерной технологии во многих специальных отраслях машиностроения. Промышленные СО2-лазеры и твердотельные снабжены микропроцессорной системой управления и применяются для сварки, резки, наплавки, поверхностной обработки, прошивки отверстий и других видов лазерной обработки.
Покрытый электрод — плавящийся электрод для дуговой сварки, имеющий на поверхности покрытие, адгезионно связанное с металлом электрода.
Покрытие электрода — смесь веществ, нанесенная на электрод для усиления ионизации, защиты от вредного воздействия среды и металлургической обработки металла сварочной ванны.
В покрытие электрода вводят следующие материалы (компоненты): ионизирующие, газообразующие, шлакообразующие, легирующие, раскисляющие, связующие и формовочные.
Ионизирующие, или стабилизирующие, компоненты вводят для обеспечения устойчивого горения дуги. Они содержат элементы с низким потенциалом ионизации, такие как калий, кальций, которые содержатся в меле, полевом шпате и граните, а также натрий и др.
Газообразующие компоненты вводят для создания газовой защиты зоны дуги и сварочной ванны. К ним относятся органические вещества: крахмал, пищевая мука, декстрин и др., а также неорганические вещества: обычно карбонаты (мрамор СаСО3, магнезит MgCO3) и др. Газовая защита образуется в результате диссоциации органических веществ при температуре выше 200°С и диссоциации карбонатов при температуре около 900°С. Процесс диссоциации происходит недалеко от торца электрода. При обычном составе электродных покрытий на каждый грамм металла электродного стержня выделяется 90-120 см3 защитного газа, состоящего из углекислого газа СО2, угарного газа СО, водорода Н2 и кислорода О2. При этом обеспечивается достаточно надежное оттеснение воздуха из зоны сварки и попадание очень небольшого количества азота в металл шва (не свыше 0,02-0,03%).
Шлакообразующие компоненты вводят для образования жидких шлаков. В качестве шлакообразующих используют руды и минералы: ильменит, рутил, полевой шпат, кремнезем, гранит, мрамор, плавиковый шпат и др. В состав шлакообразующих входят окислы СаО, MgO, МпО, FeO, А12О3, SiO2, TiO2, Na2O, плавиковый шпат СаF2 и др. Имеющиеся в покрытии ферросплавы связывают кислород, который отдают при нагревании шлакообразующие окислы, входящие в покрытие. Жидкий шлак, покрывая расплавленный металл электродных капель и сварочной ванны, химически взаимодействуя с расплавленным металлом, раскисляет металл шва и связывает окислы в легкоплавкие соединения. В то же время происходит легирование металла шва элементами, содержащимися в шлаке. Жидкий шлак пропускает (впитывает в себя) газы, выделяющиеся в процессе химических реакций в жидком металле, и формирует поверхность сварного шва.
Легирующие компоненты предназначены для придания металлу шва повышенных механических свойств, жаростойкости, износостойкости, коррозионной стойкости и других свойств. Легирующими элементами служат хром, марганец, титан, ванадий, молибден, никель, вольфрам и другие элементы. Легирующие элементы вводят в покрытие в виде ферросплавов и чистых металлов.
Раскисляющие компоненты вводят для раскисления (восстановления) части расплавленного металла, находящегося в виде окислов. К ним относятся элементы, имеющие большее, чем железо (при сварке сталей), сродство к кислороду и другим элементам, окислы которых требуется удалить из металла шва. Большинство раскислителей вводится в электродное покрытие в виде ферросплавов.
Связующие компоненты применяют для связывания порошковых составляющих покрытия в однородную вязкую массу, которая будет крепко удерживаться на стержне электрода при опрессовке и образовывать прочное покрытие после сушки и прокалки. В качестве связующих чаще всего применяют водные растворы натриевого (Na2O SiO2) или калиевого (K2O SiO2) жидкого стекла.
Формовочные компоненты — вещества, придающие обмазочной массе лучшие пластические свойства: бентонит, каолин, декстрин, слюда и др.
Некоторые материалы в покрытии выполняют несколько функций, например: мрамор является одновременно стабилизирующим, шлакообразующим и газозащитным компонентом, а ферросплавы — легирующими и раскисляющими компонентами.
Покрытие электродов оказывает существенное влияние на весь процесс сварки. Поэтому к покрытию предъявляются следующие требования: обеспечение стабильного горения дуги; получение металла шва с необходимым химическим составом и свойствами; спокойное, равномерное плавление электродного стержня и покрытия; хорошее формирование шва и отсутствие в нем пор, шлаковых включений и др.; легкая отделимость шлака с поверхности шва после остывания; хорошие технологические свойства обмазочной массы, не затрудняющие процесса изготовления электродов; удовлетворительные санитарно-гигиенические условия труда при изготовлении электродов и сварке. Состав покрытия определяет и такие важные технологические характеристики электродов как: род и полярность сварочного тока, возможность сварки в различных пространственных положениях или определенным способом (сварка опиранием, наклонным электродом и т. д.). Состав покрытия электродов и свойства образующихся шлаков определяют и величину рекомендуемого для сварки тока. Для получения качественных сварных швов покрытие электрода должно удерживаться на металлическом стержне и быть сплошным до конца использования электрода (огарка), чтобы обеспечить необходимую защиту зоны сварки. Поэтому нагрев металлического стержня, определяемый величиной сварочного тока, к концу расплавления электрода не должен быть более 500°С, а с покрытиями, содержащими органические вещества, не более 250°С.
К физическим свойствам шлака, образуемого покрытием, относят температуру плавления, температурный интервал затвердевания, теплоемкость, теплопроводность, теплосодержание, вязкость, газопроницаемость, плотность, поверхностное натяжение, тепловое расширение (линейное и объемное). Все электродные покрытия должны обеспечивать при их плавлении плотность шлака ниже плотности жидкого металла для обеспечения всплывания шлака из сварочной ванны. Температурный интервал затвердевания шлака должен быть ниже температуры кристаллизации металла сварочной ванны для пропускания газов, выделяющихся из сварочной ванны. Наилучшие качества при сварке имеют шлаки, если температура плавления их составляет 1100-1200°С. В зависимости от изменения вязкости шлака от температуры различают шлаки «длинные» и «короткие». «Длинные» шлаки, у которых переход от жидкого к твердому состоянию растянут на значительный температурный интервал, при прочих равных условиях хуже обеспечивают формирование шва. У «коротких» шлаков возрастание вязкости расплавленного шлака с понижением температуры происходит быстро и закристаллизовавшийся шлак препятствует стеканию металла шва, находящегося еще в жидком состоянии при сварке в различных пространственных положениях. «Короткие» шлаки дают электроды с основным покрытием. Вязкость шлака имеет важное значение. Чем менее вязок шлак, тем больше его подвижность, а следовательно, физическая и химическая активность, тем быстрее в нем протекают химические реакции и физические процессы растворения окислов, сульфидов и т. п. Кислые шлаки обычно бывают очень вязкими и длинными, при этом вязкость возрастает с повышением кислотности.
Затвердевшие шлаки должны иметь небольшое сцепление с металлом, коэффициенты линейного расширения шлака и металла должны быть различными для более легкого отделения шлака со шва.
К химическим свойствам относится способность шлака раскислять металл шва, связывать окислы в легкоплавкие соединения и легировать металл шва.
К сварочно-технологическим свойствам электродов относят легкое возбуждение дуги, стабильное горение дуги на оптимальных режимах для данного диаметра и марки, возможность сварки на постоянном и переменном токах, пригодность для сварки в различных пространственных положениях. Кроме этого, покрытие должно плавиться равномерно, без чрезмерного разбрызгивания, отваливания кусков и образования козырька, препятствующего нормальному плавлению электрода. Образующийся при сварке шлак должен обеспечить благоприятную гладкую форму шва и легко удаляться после охлаждения.
Виды электродных покрытий.
ГОСТ9466-75 «Электроды покрытые металлические для ручной дуговой сварки сталей и наплавки. Классификация, размеры и общие технические требования» подразделяет электроды на следующие виды: А — с кислым покрытием; Б — с основным покрытием; Ц — с целлюлозным покрытием; Р — с рутиловым покрытием; П — с покрытием прочих видов. С покрытием смешанного вида используют соответствующее двойное обозначение. Если покрытие содержит железный порошок в количестве более 20%, к обозначению вида покрытия добавляют букву Ж.
У электродов с кислым покрытием (А) шлакообразующую основу составляют железные (гематит — Fe2O3) и марганцевые (MnO2) руды и кремнезем (SiO2). Газовая защита расплавленного металла осуществляется органическими компонентами, сгорающими в процессе плавления электрода. В качестве раскислителей в покрытие вводят ферромарганец. Образующиеся кислые шлаки не содержат СаО и не очищают металл от серы и фосфора. В наплавленном металле много растворенного кислорода (до 0,12%), водорода (до 15 см3 в 100 г металла) и неметаллических включений. В результате швы обладают пониженной стойкостью к образованию горячих трещин и пониженной ударной вязкостью. Электроды непригодны для сварки сталей, легированных кремнием и другими элементами, так как они интенсивно окисляются. При сварке спокойных низкоуглеродистых сталей с высоким содержанием кремния возможно образование пор. При сварке выделяется много токсичной пыли, содержащей окислы марганца и кремния и происходит повышенное разбрызгивание. Достоинствами этих электродов являются: стабильное горение дуги на постоянном и переменном токах; возможность сварки в различных пространственных положениях; отсутствие пор при наличии на свариваемых поверхностях окалины или ржавчины, а также при случайном удлинении дуги; достаточно высокая скорость расплавления и высокая проплавляющая способность. Типичными для этого вида покрытия являются электроды марок МЭЗ-04 и СМ-5. В настоящее время электроды с кислым покрытием выпускают в малом объеме. Эти электроды применяют для сварки неответственных металлоконструкций.
У электродов с рутиловым видом покрытия (Р) шлакообразующую основу составляют: рутиловый концентрат, содержащий до 45% рутила (TiO2); алюмосиликаты — слюда (К2О 3Al2O3 6SiO2 2H2O), полевой шпат (К2О Al2O3 6SiO2), каолин (Al2O3 2SiO2 2H2O) и др.; карбонаты — мрамор (СаСО3) и магнезит (MgCO3). Газовая защита расплавленного металла обеспечивается введением органических соединений (до 5%), а также разложением карбонатов. Наплавленный металл раскисляется и легируется ферромарганцем (до 10-15%). Поскольку окислительная способность рутилового покрытия меньше, чем кислого, количество марганца в нем ниже и его гигиенические характеристики гораздо лучше, чем у кислого. Содержание окислов марганца в аэрозоле при сварке меньше, чем у кислого в 3-5 раз. По качеству наплавленного металла электроды занимают промежуточное положение между электродами с кислым и основным покрытиями. Электроды обладают высокими сварочнотехнологическими свойствами: обеспечивают отличное формирование шва с плавным переходом к основному металлу, малое разбрызгивание, легкую отделимость шлака, стабильное горение дуги на постоянном и переменном токах, сварку во всех пространственных положениях. Металл шва мало склонен к образованию пор при колебаниях длины дуги, при сварке по окисленной и загрязненной поверхности. Наплавленный металл соответствует по химическому составу полуспокойной или спокойной стали. К электродам с покрытием этого вида относятся электроды марок АНО-4, ОЗС-12 и др. Для повышения коэффициента наплавки в покрытия этого вида часто вводят порошок железа. При содержании железа в покрытии до 35% от массы покрытия (в электродах марок АНО-5, ОЗС-6 и др.) электродами можно варить в различных пространственных положениях. Электроды, содержащие в покрытии железного порошка 50-65% (например, электроды марок АНО-1, ОЗС-3 и др.) предназначены для высокопроизводительной сварки швов большой протяженности изделий толщиной 10-20 мм. Разбавляя металл сварочной ванны низкоуглеродистым железным порошком, можно существенно увеличить стойкость металла шва к образованию кристаллизационных трещин. Электроды с рутиловым видом покрытия применяют для сварки металлоконструкций и трубопроводов из углеродистых и низколегированных сталей с временным сопротивлением до 490 МПа.
Электроды с основным видом покрытия (Б) имеют шлакообразующую основу покрытия, состоящую из карбонатов (мрамор, мел, магнезит) и фторидов кальция (например, плавиковый шпат — CaF2). Газовая защита расплавленного металла обеспечивается углекислым газом и окисью углерода, образующимися при диссоциации карбоната кальция в процессе нагрева и плавления покрытия. В качестве раскислителей покрытие может содержать ферромарганец, ферросилиций, ферротитан и ферроалюминий. Покрытия этого вида слабоокисленные, поэтому позволяют легировать расплавленный металл элементами с большим сродством к кислороду. Легирование осуществляется марганцем и кремнием при переходе их из ферромарганца и ферросилиция в сварочную ванну, что придает соединению высокую прочность. Кроме этого, для легирования в покрытие могут вводить металлические порошки. Наличие в покрытии большого количества соединений кальция, хорошо связывающих серу и фосфор с выделением их в шлак, обеспечивает высокую чистоту наплавленного металла с малым содержанием серы и фосфора. Плавиковый шпат при высоких температурах разлагается с выделением атомарного фтора, который связывает водород в устойчивую, нерастворимую в металле молекулу HF. В результате наплавленный металл содержит незначительное количество водорода (4-10 см3 в 100 г наплавленного металла). Применение в покрытии активных раскислителей (титана, алюминия и кремния) обеспечивает низкое содержание кислорода в металле шва (менее 0,05%). Поэтому наплавленный металл мало склонен к старению, стоек к образованию кристаллизационных трещин и имеет повышенные пластические свойства при низких температурах. Сварочно-технологические свойства электродов с основным видом покрытия ниже, чем у электродов с другим видом покрытия. Образование большого количества отрицательных ионов фтора при плавлении покрытия приводит к уменьшению проводимости дугового разряда и снижению устойчивости горения дуги. Поэтому сварку электродами с основным видом покрытия осуществляют на постоянном токе обратной полярности. Для сварки переменным током необходимо применение электродов с дополнительным содержанием ионизирующих элементов в покрытии, например калия (в электродах марок СМ-11 и УП-1/55), или применение электродов со специальным двухслойным покрытием (например, электроды марки АНО-Д). Наличие влаги, масла, окалины или ржавчины на свариваемых кромках, наличие влаги в покрытии, а также увеличение длины дуги приводят к образованию пор в металле шва. Перед сваркой необходима прокалка электродов при температуре 350-400 °С в течение одного часа. Для получения качественных швов необходимо строго соблюдать требования по подготовке изделия и выдерживать технологический режим процесса сварки. Электроды с основным видом покрытия предназначены для сварки ответственных конструкций из углеродистых, низколегированных и легированных сталей. Электроды с основным видом покрытия иногда называют электродами с фтористокальциевым покрытием.
Электроды с целлюлозным видом покрытия (Ц) содержат много (до 50%) органических составляющих (целлюлозу, травяную муку и т. п.) для образования большого количества газов. В качестве шлакообразующих применяют чаще всего рутил, карбонаты, алюмосиликаты и др. Иногда добавляют асбест — СаО3MgO 4SiO2. Для раскисления наплавленного металла добавляют ферромарганец. При сварке на торце электрода образуется конусная втулка из нерасплавившегося покрытия, что способствует образованию направленного потока газов, который обеспечивает оттеснение жидкого металла из-под дуги и более глубокое проплавление основного металла. Эти электроды (марок ВСЦ-4А и др.) используют для сварки корневого слоя шва неповоротных стыков трубопроводов методом опирания сверху вниз с высокой скоростью, достигающей 25 м/ч. Они обеспечивают хорошую обратную сторону шва, поэтому отпадает необходимость в подварке шва изнутри. Для выполнения заполняющих и облицовочных швов при сварке ответственных конструкций из низколегированных сталей во всех пространственных положениях предназначены, например, электроды марки ВСЦ-60.
К электродам со смешанным видом покрытия относят электроды с рутилово-основным (рутилкарбонатным или карбонатно-рутиловым) видом покрытия (РБ), электроды с кисло-рутиловым видом покрытия (АР), с рутилово-целлюлозным видом покрытия (РЦ) и др. К электродам с кисло-целлюлозным видом покрытия относят электроды марки ОМА-2, предназначенные для сварки тонколистовых конструкций (толщиной 1-3 мм) из углеродистых и низколегированных сталей постоянным и переменным током. К электродам с кислорутиловым (ильменитовым) видом покрытия относят электроды марок ОММ-5, АНО-6, АНО-6М, АНО-17 и др. Они содержат в покрытии ильменит (FeO TiO2) и предназначены для сварки конструкций из углеродистых сталей во всех пространственных положениях постоянным и переменным током. Электроды с рутилово-основным видом покрытия появились в результате попыток объединить преимущества рутиловых и основных покрытий. Они предназначены для сварки оборудования из углеродистых и низколегированных сталей с временным сопротивлением до 490 МПа, когда к металлу сварных швов предъявляются повышенные требования по пластичности и ударной вязкости. К электродам с рутилово-основным видом покрытия относят электроды марок МР-3, АНО-30, ОЗС-28 и др.
Кроме указанных видов покрытий, имеются специальные электродные покрытия: гидрофобные, для сварки и наплавки цветных металлов и их сплавов и др. Гидрофобные покрытия предназначены для выполнения сварочных работ в особо влажных условиях: при повышенной влажности атмосферы, под водой и т. д. В них добавляют до 10% специальных гидрофобных полимеров, которые в процессе полимеризации заполняют поры между частицами покрытия и перекрывают пути проникновения влаги во внутренние слои покрытия. Для сварки лежачим и наклонным используют специальные электроды, например, электроды марок НЭ-1, НЭ-5, ОЗС-17Н и др. В этом случае часто применяют удлиненные электроды (до двух метров) и диаметром до 8 мм. Покрытие этих электродов обычно имеет повышенную толщину.
Конкретный состав покрытия и стержня в данном электроде определяет марка электрода. Обозначения марок часто содержат начальные буквы организации, в которой были разработаны электроды, и порядковый номер.
Классификация и условные обозначения электродов.
Электроды, предназначенные для ручной дуговой сварки, в стандартах классифицируются по следующим признакам: металлу, для сварки которого они предназначены; толщине и типу покрытия; механическим свойствам металла шва и др. Согласно ГОСТ 9466-75 электроды для сварки и наплавки сталей в зависимости от назначения разделены на классы: для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей с σв < 600 МПа — У (условное обозначение); для сварки легированных конструкционных сталей с σв > 600 МПа — Л; для сварки теплоустойчивых сталей — T; для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами — B; для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами — H. Этот стандарт регламентирует размеры электродов, толщину и типы покрытий, условные обозначения, общие технические требования, правила приемки и методы испытания.
Сварочная проволока — проволока для использования в качестве плавящегося электрода либо присадочного металла при сварке плавлением.
Плавящийся электрод для дуговой сварки — металлический электрод, включаемый в цепь сварочного тока для подвода его к сварочной дуге, расплавляющийся при сварке и служащий присадочным металлом.
Присадочная проволока — сварочная проволока, используемая как присадочный металл и не являющаяся электродом.
Электродная проволока — сварочная проволока для использования в качестве плавящегося электрода.
Сварочная проволока используется в качестве электродной проволоки и присадочной проволоки.
Сварочную проволоку изготавливают сплошной или порошковой.
Для электрошлаковой сварки наряду с проволочными электродами применяют пластинчатые электроды, изготовленные из ленты или листов.
Сварочная сплошная проволока.
Среди сварочных материалов сварочные проволоки сплошного сечения используются в наибольшем объеме. Их широко применяют в качестве электродной проволоки при сварке и наплавке плавящимся электродом в среде защитных газов и под флюсом и как присадочную проволоку при сварке и наплавке неплавящимся электродом в среде защитных газов и газовой сварке. Кроме этого, сплошную проволоку применяют при изготовлении покрытых электродов для дуговой сварки.
Сварочную проволоку изготавливают из различных металлов и сплавов.
Сварочную проволоку получают горячей прокаткой и волочением. Если металл шва должен иметь высокую твердость, то проволока плохо деформируется в горячем и холодном состояниях. В этом случае сварочную проволоку изготавливают литьем в виде присадочных прутков длиной до 1000 мм.
Сварочные проволоки выпускают в соответствии с различными стандартами и техническими условиями. Возможность применения сварочной проволоки данной марки отечественной или импортной, изготовленной в соответствии с конкретным стандартом или техническим условием для сварки конкретного изделия определяется нормативными документами на сварку изделий данной группы технических устройств. На основе многолетнего опыта разработаны государственные стандарты:
ГОСТ 2246-70. «Проволока стальная сварочная».
ГОСТ 10543-98. «Проволока стальная наплавочная».
ГОСТ 7871-75. «Проволока сварочная из алюминия и алюминиевых сплавов»
ГОСТ 16130-90. «Проволока и прутки из меди и сплавов на медной основе сварочные».
В каждом из ГОСТов приведены сведения о химическом составе, о диаметрах проволок, о допусках на них, приведены правила приемки, методы испытаний, упаковки, транспортировки и хранения.
Требования ГОСТ 2246-70 распространяются на холоднотянутую сварочную проволоку из низкоуглеродистой, легированной и высоколегированной стали. Этот стандарт регламентирует химический состав 77 марок сварочной проволоки, используемых в качестве электродной, присадочной, наплавочной и для изготовления покрытых электродов для ручной дуговой сварки. Стандарт не регламентирует механические свойства металла шва, так как они зависят от многих других факторов (доли участия основного металла, марки флюса, защитного газа, режима сварки и т. д.).
В стандарте предусмотрены диаметры проволок (мм): 0,3; 0,5; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10,0; 12,0 и предельные отклонения по ним. Для получения проволок с минимальным содержанием вредных примесей, газов, неметаллических включений по требованию потребителя проволока может быть изготовлена из стали, выплавленной электрошлаковым (Ш), вакуумнодуговым (ВД) переплавом или в вакуумноиндукционных печах (ВИ). По виду поверхности проволока выполняется неомедненная или омедненная (О). Стандарт дает примеры условного обозначения проволок.
Пример условного обозначения проволоки для сварки (наплавки) диаметром 1,2мм, марки Св-08Г2С с омедненной поверхностью:
Проволока 1,2 Св-08Г2С-О ГОСТ 2246-70.
Пример условного обозначения проволоки сварочной диаметром 4 мм, марки Св-04Х19Н9, предназначенной для изготовления электродов:
Проволока 4 Св-04Х19Н9-Э ГОСТ 2246-70.
Условные обозначения марок проволоки состоят из индекса Св (сварочная) и следующих за ним цифр и букв. Цифры, следующие за индексом Св, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Последующие буквы указывают на содержание в проволоке химических элементов, обозначаемых следующими буквами: Б — ниобий; В — вольфрам; Г — марганец; Д — медь; М — молибден; Н — никель; С — кремний; Т — титан; Ф — ванадий; Х — хром; Ц — цирконий; Ю — алюминий.
Цифры, следующие за буквенными обозначениями химических элементов, указывают среднее содержание элемента в процентах. При содержании элементов менее 2% цифра не ставится. Более точное содержание элементов дано в стандарте. Буква А в конце условных обозначений марок низкоуглеродистой и легированной проволок указывает на повышенную чистоту металла по содержанию серы и фосфора. В проволоке марки Св-08АА сдвоенная буква А указывает на пониженное содержание серы и фосфора по сравнению с проволокой марки Св-08А. Для высоколегированных проволок не допускается содержание серы и фосфора свыше 0,035%.
Проволока выпускается в виде прутков, в кассетах, катушках и бухтах в герметичной упаковке. Масса используемых катушек зависит от диаметра проволоки и вида сварочного оборудования для механизированной или автоматической сварки и колеблется в пределах от 0,5 до 80 кг. При роботизированной сварке применяют и емкости массой до 250 кг.
При дуговой сварке сталей в защитных газах часть проволоки теряется на разбрызгивание. При этом капли расплавленного электродного металла покрывают основной металл. Трудоемкость очистки изделия сопоставима с трудоемкостью операции сварки. Поэтому ведутся работы по созданию проволок, обеспечивающих более устойчивое горение дуги. Одним из способов, уменьшающих разбрызгивание, является введение в состав проволок материалов с низкой работой выхода электронов. При этом присадки должны иметь температуру кипения, превышающую температуру кипения стали. Этим условиям удовлетворяют редкоземельные металлы, такие как церий, лантан, неодим и другие. Введение в проволоку марки Св-08Г2С редкоземельных элементов в количестве 0,01-0,07% улучшает перенос электродного металла при сварке в среде углекислого газа и уменьшает разбрызгивание.
ГОСТ 10543-98 распространяется на горячекатаную и холоднокатаную проволоку из углеродистой, легированной и высоколегированной стали, предназначенную для механизированной электродуговой наплавки. В ГОСТе приведены твердость наплавленного металла и примерное назначение наплавляемых изделий для каждой марки проволоки. Проволоки классифицируются по химическому составу.
ГОСТ 7871-75 распространяется на тянутую и прессованную проволоку из алюминия и алюминиевых сплавов для сварки плавлением. ГОСТ предусматривает выпуск 14 марок тянутой и прессованной проволоки из алюминия (А1 более 99,5%), алюминиево-марганцевого сплава (СвАМц), алюминиево-магниевых сплавов (СвАМг3, СвАМг4 и др.), алюминиево-кремнистых сплавов (СвАК5 и др.) диаметром 0,8-12,5 мм.
ГОСТ 16130-90 «Проволока и прутки из меди и сплавов на медной основе сварочные» регламентирует хим. состав, диаметры проволок (0,8-8,0 мм) и прутков (6 и 8 мм). Этот стандарт содержит также рекомендации по применению проволок и прутков.
Порошок (сердечник), состоящий из смеси минералов, руд, ферросплавов и металлов, предназначен для газошлаковой защиты, раскисления и легирования расплавленного металла, а также для стабилизации дугового разряда. В качестве газообразующих материалов используют карбонаты кальция, магния, натрия (например, мрамор, магнезит, кальцинированную соду), и органические вещества (целлюлозу, крахмал, древесную муку). В качестве шлакообразующих материалов используют рутиловый концентрат, алюмосиликаты, окислы щелочноземельных металлов, флюоритовый концентрат. В качестве раскислителей применяют активные элементы, обладающие высоким сродством к кислороду, в виде ферросплавов (ферромарганец, ферросилиций и др.) и металлических порошков. Легирующие материалы, такие как марганец, кремний, хром, бор, никель и другие, обеспечивающие металлу шва необходимые свойства, вводят также в виде ферросплавов и металлических порошков. Введение дополнительного металла в виде железного порошка (до 30%) позволяет увеличить производительность наплавки и улучшить сварочно-технологические свойства. В качестве компонентов сердечника можно использовать порошки из различных материалов без обработки и связующих веществ. Это дает широкую возможность изменять составы порошковых сердечников и создавать такие композиции, которые невозможно получить в других сварочных материалах. По составу сердечника порошковые проволоки делятся, также как и электроды, по виду покрытия на: рутилорганические, рутиловые; рутил-основные и основные.
Оболочкой для большинства порошковых проволок для сварки и наплавки сталей, сплавов и чугуна является холоднокатаная лента толщиной 0,2-0,8 мм из низкоуглеродистой стали, имеющая высокую пластичность, необходимую для формования и волочения проволоки. Оболочка порошковой проволоки для сварки и наплавки цветных металлов соответствует свариваемому металлу.
По конструкции порошковые проволоки могут быть классифицированы на бесшовные (рис. 1а) и шовные (рис. 1б-д) с одним (рис. 1б) и двумя загибами (рис. 1в, г), а также двухслойные (рис. 1д). Шовную порошковую проволоку изготавливают из ленты. Введение части оболочки внутрь сердечника (рис. 1в-д) обеспечивает более равномерное плавление его и более эффективную защиту металла от воздуха. При размещении всех металлических порошков во внутренней части двухслойной конструкции проволоки (рис. 1д), а газообразующих и шлакообразующих материалов в наружной полости сердечника, обеспечивается лучшая защита расплавленного металла.
Рис. 1. Конструкции порошковой проволоки.
Бесшовные проволоки (рис. 1а) изготавливают из пластичной трубы, заполненной наполнителем, волочением. Ее можно получать малого диаметра (до 1 мм) и обмеднять. Такая проволока негигроскопична. Отношение массы порошкового наполнителя проволоки к массе оболочки находится в пределах 15-40%. Чем больше это отношение, тем легче обеспечить качественную защиту расплавленного металла и легирование металла шва.
По способу защиты порошковые проволоки делятся на самозащитные и используемые с дополнительной защитой зоны сварки газом или флюсом. Наиболее часто в качестве защитной среды используют углекислый газ. Сварка в углекислом газе порошковой проволокой имеет ряд преимуществ по сравнению со сваркой сплошной проволокой. Порошковая проволока, содержащая шлакообразующие и раскислители, позволяет хорошо раскислить металл сварочной ванны, интенсивно обработать его шлаком и снизить содержание в нем газов и неметаллических включений. Швы получаются гладкими, с плавным переходом от основного металла ко шву. Содержащиеся в сердечнике проволоки вещества, обеспечивающие стабильность горения дуги, приводят к минимальному разбрызгиванию и набрызгиванию на свариваемые детали.
Самозащитная проволока — электродная проволока, содержащая вещества, которые защищают расплавленный металл от вредного воздействия воздуха при сварке. Самозащитные проволоки содержат газообразующие и шлакообразующие вещества в достаточном количестве для сварки без дополнительной защиты газом.
Порошковая проволока — универсальный сварочный материал, пригодный для сварки сталей практически любого легирования и для наплавки слоев с особыми свойствами. Порошковую проволоку выпускают диаметром 1-3,2 мм. Для сварки во всех пространственных положениях используют в основном проволоки малых диаметров (чаще диаметром 1,2 мм).
Применение порошковых проволок позволяет обеспечивать производительность расплавления до 10-11 кг/ч, что выше, чем при сварке в углекислом газе сплошной проволокой (до 6-8 кг/ч), и выше, чем при ручной дуговой сварке покрытыми электродами (до 4 кг/ч).
ГОСТ 26271-84 дает классификацию, сортамент и технические требования на порошковую проволоку для сварки углеродистых и низколегированных сталей с временным сопротивлением до 900 МПа диаметром 1,2-6 мм.
По условиям применения сварочную порошковую проволоку подразделяют на газозащитную (ПГ), применяемую для сварки в углекислом газе или газовых смесях, и самозащитную (ПС) — для сварки без дополнительной защиты.
В соответствии с допустимыми пространственными положениями сварки и условиями формирования сварного шва проволоки подразделяют: для нижнего (Н); нижнего и горизонтального на вертикальной плоскости (Г); нижнего, горизонтального на вертикальной плоскости и вертикального (В); для всех положений (У); горизонтального на вертикальной плоскости с принудительным формированием шва (ГП); вертикального с принудительным формированием шва (ВП) и всех положений с принудительным формированием шва (УП).
Стандарт приводит марки отечественных порошковых проволок и дает пример их условного обозначения. Например, проволока марки ПП-АН3 диаметром 3,0 мм, самозащитная (ПС), по значению предела текучести наплавленного металла типа 44, по химическому составу наплавленного металла категории А, обеспечивающей ударную вязкость наплавленного металла не ниже 35 Дж/см2 при температуре -20°С (2), для сварки в нижнем положении (Н): ПП-АН3 3,0 ПС44-А2Н ГОСТ 26271-84.
Проволока порошковая наплавочная
Проволоки предназначены для наплавки поверхностных слоев для работы в условиях абразивного износа и износа от трения при больших удельных давлениях и повышенных температурах, а также в агрессивных средах. ГОСТ 26101-84 «Проволока порошковая наплавочная» приводит марки отечественных проволок, их химический состав, твердость наплавленного металла и типичные объекты (детали) наплавки.
В соответствии с ГОСТ 26101-84 различают проволоку, предназначенную для наплавки под флюсом (Ф), в защитном газе (Г), без дополнительной защиты — самозащитную (С) и универсальную (У) — для сварки под флюсом, в защитном газе и без дополнительной защиты.
По конструкции проволоки могут быть трубчатой стыковой (Т), трубчатой с нахлестом кромки (Н) и двухслойной (Д).
Условное обозначение наплавочной порошковой проволоки по стандарту, например, марки ПП-Нп-30Х5Г2СМ, трубчатой стыковой конструкции (Т), самозащитной (С), диаметром 2,6 мм: ПП-Нп-30Х5Г2СМ-Т-С 2,6 ГОСТ 26101-84.
Лента порошковая наплавочная.
Для дуговой механизированной наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами применяют порошковые ленты (ПЛ), состоящие из металлической оболочки и порошка-наполнителя из легирующих материалов и флюса. В соответствии с ГОСТ 26467-85 выпускают ленты шириной 10-18 мм и толщиной 3 и 3,8 мм, предназначенные для наплавки под флюсом (Ф), или без дополнительной защиты (самозащитная порошковая лента) — С, или для наплавки под флюсом и без дополнительной защиты (универсальная порошковая лента) — У. Условное обозначение наплавочной порошковой ленты по стандарту, например, марки ПЛ-Нп-350Х25Н3С3 двухзамковой универсальной: ПЛ-Нп-350Х25Н3С3-А-У ГОСТ 26467-85.
Порошковую ленту поставляют намотанную на кассеты.
Лента наплавочная спеченая.
Наплавочную ленту спеченную (ЛС) изготовляют спеканием порошкообразных компонентов, обеспечивая ей необходимые прочностные и пластические свойства. Ленты поставляют потребителям в рулонах и применяют преимущественно при автоматической наплавке под флюсом для наплавки износостойких и коррозионностойких слоев.
Прутки для наплавки.
Литые прутки для наплавки деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания с ударными нагрузками, а также при повышенных температурах в условиях коррозии и эрозии, согласно ГОСТ 21449-75* «Прутки для наплавки», выпускают диаметром 4, 5, 6 и 8 мм длиной 300-500 мм
пяти марок: 3 на основе железа — Пр-С27 (тип ПрН-У45Х28Н2СВМ), Пр-С1 (тип ПрН-У30Х28Н4С3), Пр-С2 (тип ПрН-У20Х17Н2) и 2 на основе кобальта — ПрВ3К (тип ПрН-У10ХК63В5), Пр-В3К-Р ( тип ПрН-У20ХК57В10).
ГОСТ 16130-90 «Проволока и прутки из меди и сплавов на медной основе сварочные» приводит марки прутковых материалов для наплавки контактов в электротехнических приборах, для наплавки деталей, подверженных коррозии при работе в морской воде и в условиях, где необходимы коррозионная и износостойкость.
Выпускают прутки и из других металлов и сплавов длиной до 1000 мм для использования их в качестве дополнительного присадочного металла при ручных дуговых способах сварки неплавящимися электродами и газовой сварке.
Порошки для наплавки и напыления.
Порошки применяют для наплавки и напыления плазменным или газопламенным способом износостойкого слоя на детали машин и оборудования, работающего в условиях воздействия абразивного изнашивания, коррозии, эрозии при повышенных температурах или в агрессивных средах. В соответствии с ГОСТ 21448-75* выпускают порошки с разной величиной частиц: 1,25-0,8 мм — крупный (К); 0,8-0,4 мм — средний (С); 0,4-0,16 мм — мелкий (М) и менее 0,16 мм — очень мелкий (ОМ). ГОСТом предусмотрено 8 марок порошков: ПГ-С27 ( тип ПН- У40Х28Н2С2ВМ), ПГ-С1 (тип ПН-У30Х28Н4С4), ПГ-УС25 (тип ПН-У50Х38Н), ПГ-ФБХ6-2 (тип ПН-У45Х35ГСР), ПГ- АН1 (тип ПН-У25Х30СР), ПГ-СР2 (тип ПН-ХН80С2Р2), ПГ-СР3 (тип ПН- ХН80С3Р3). Порошки поставляют в металлических банках массой до 50 кг.
Стали подразделяются на углеродистые и легированные. По назначению различают стали конструкционные с содержанием углерода в сотых долях процента и инструментальные с содержанием углерода в десятых долях процента. Наибольший объем сварочных работ связан с использованием низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей.
Основным элементом в углеродистых конструкционных сталях является углерод, который определяет механические свойства сталей этой группы. Углеродистые стали выплавляют обыкновенного качества и качественные.
Стали углеродистые обыкновенного качества подразделяются на три группы:
группа А — по механическим свойствам;
группа Б — по химическому составу;
группа В — по механическим свойствам и химическому составу.
Изготавливают стали следующих марок:
группа А – Ст 0, Ст 1, Ст 2, Ст 3, Ст 4, Ст 5, Ст 6;
группа Б – БСт 0, БСт 1, БСт 2, БСт 3, БСт 4, БСт 5, БСт 6;
группа В – ВСт 0, ВСт 1, ВСт 2, ВСт 3, ВСт 4, ВСт 5.
По степени раскисления сталь обыкновенного качества имеет следующее обозначение: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная. Кипящая сталь, содержащая кремния (Si) не более 0,07 %, получается при неполном раскислении металла марганцем. Сталь характеризуется резко выраженной неравномерностью распределения вредных примесей (серы и фосфора) по толщине проката. Местная повышенная концентрация серы может привести к образованию кристаллизационных трещин в шве и околошовной зоне. Кипящая сталь склонна к старению в околошовной зоне и переходу в хрупкое состояние при отрицательных температурах.
Спокойная сталь получается при раскислении марганцем, алюминием и кремнием и содержит кремния (Si) не менее 0,12 %; сера и фосфор распределены в ней более равномерно, чем в кипящей стали. Эта сталь менее склонна к старению и отличается меньшей реакцией на сварочный нагрев.
Полуспокойная сталь по склонности к старению занимает промежуточное место между кипящей и спокойной сталью. Полуспокойные стали с номерами марок 1-5 выплавляют с нормальным и повышенным содержанием марганца, примерно до 1%. В последнем случае после номера марки ставят букву Г (например, БСтЗГпс).
Стали группы А не применяются для изготовления сварных конструкций. Стали группы Б делятся на две категории. Для сталей первой категории регламентировано содержание углерода, кремния марганца и ограничено максимальное содержание серы, фосфора, азота и мышьяка; для сталей второй категории ограничено также максимальное содержание хрома, никеля и меди.
Стали группы В делятся на шесть категорий. Полное обозначение стали включает марку, степень раскисления и номер категории. Например, ВСтЗГпс5 обозначает следующее: сталь группы В, марка СтЗГ, полуспокойная, 5-й категории. Состав сталей группы В такой же, как сталей соответствующих марок группы Б, 2-й категории. Стали ВСт1, ВСт2, ВСтЗ всех категорий и степени раскисления выпускают с гарантированной свариваемостью. Стали БСт1, БСт2, БСтЗ поставляют с гарантией свариваемости по требованию заказчика.
Углеродистую качественную сталь выпускают в соответствии с существующими стандартами. Сталь имеет пониженное содержание серы. Допустимое отклонение по углероду (0,03—0,04 %). Стали с содержанием углерода до 0,20 % включительно могут быть кипящими (кп), полуспокойными (пс) и спокойными (сп). Остальные стали — только спокойные. Для последующих спокойных сталей после цифр буквы «сп» не ставят. Углеродистые качественные стали для изготовления конструкций применяют в горячекатаном состоянии и в меньшем объеме после нормализации и закалки с отпуском.
Углеродистые стали в соответствии с существующими стандартами подразделяются на три подкласса: низкоуглеродистые с содержанием углерода до 0,25 %; среднеуглеродистые с содержанием углерода (0,25—0,60 %) и высокоуглеродистые с содержанием углерода более 0,60 %.
В сварных конструкциях в основном применяют низкоуглеродистые стали.
В сварочном производстве очень важным является понятие о свариваемости различных металлов.
Свариваемостью называется способность металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединения, отвечающие требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.
По свариваемости углеродистые стали условно подразделяются на четыре группы: I — хорошо сваривающиеся, с содержанием углерода до 0,25 %; II — удовлетворительно сваривающиеся, с содержанием углерода от 0,25 до 0,35 %, т. е. для получения качественных сварных соединений деталей из этих сталей необходимо строгое соблюдение режимов сварки, специальные присадочные материалы, определенные температурные условия, а в некоторых случаях — подогрев, термообработка; III — ограниченно сваривающиеся, с содержанием углерода от 0,35 до 0,45 %, для получения качественных сварных соединений которых дополнительно необходим подогрев, предварительная или последующая термообработка; IV — плохо сваривающиеся, с содержанием углерода свыше 0,45 %, т. е. сварные швы склонны к образованию трещин, свойства сварных соединений пониженные, стали этой группы обычно не применяют для изготовления сварных конструкций.
Все низкоуглеродистые стали хорошо свариваются существующими способами сварки плавлением. Обеспечение равнопрочности сварного соединения не вызывает затруднений. Швы имеют удовлетворительную стойкость против образования кристаллизационных трещин. Это обусловлено низким содержанием углерода. Однако в сталях, содержащих углерод по верхнему пределу, вероятность возникновения холодных трещин повышается, особенно с ростом скорости охлаждения (повышение толщины металла, сварка при отрицательных температурах, сварка швами малого сечения и др.). В этих условиях предупреждают появление трещин путем предварительного подогрева до 120-200 °С.
Легированные стали.
Сталь, содержащая один или несколько легирующих элементов, вводимых для придания изделию определенных физико-механических свойств, называется легированной. Содержание некоторых элементов, когда они не являются легирующими, не должно превышать: кремния (Si) — 0,5 %; марганца (Мп) — 0,8%; хрома (Сг) 0,3 %; никеля (Ni) – 0,3 %; меди (Cu) – 0,3 %.
Легированные стали подразделяют на подклассы: низко-, средне- и высоколегированные. Низколегированная сталь — это сталь, легированная одним элементом при содержании его не более 2 % (по верхнему пределу) или несколькими элементами при суммарном их содержании 3,5 % (по верхнему пределу). Среднелегированная сталь — легированная одним элементом, при содержании его не более 8 % (по верхнему пределу) или несколькими элементами при суммарном их содержании, как правило, не более 12 % (по верхнему пределу).
Высоколегированная — это сталь с суммарным содержанием легирующих элементов не менее 10 % (по верхнему пределу), при содержании одного из них не менее 8 % (по нижнему пределу), при содержании железа более 45 %.
Маркировка всех легированных конструкционных сталей однотипная. Первые две цифры обозначают содержание углерода в сотых долях процента, буквы являются условным обозначением легирующих элементов, цифра после буквы обозначает содержание легирующего элемента в процентах, причем содержание, равное 1 % и меньше, не ставится, буква «А» в конце марки показывает, что сталь высококачественная и имеет пониженное содержание серы и фосфора.
Условное обозначение элементов химического состава в основном металле и электродной проволоке
Основными элементами, влияющими на свойства стали, являются углерод, марганец и кремний.
Углерод при повышении его содержания в стали ведет к повышению прочности и твердости и уменьшению пластичности. Окисление углерода во время сварки вызывает появление большого количества газовых пор.
Марганец повышает ударную вязкость и хладноломкость стали, являясь хорошим раскислителем; способствует уменьшению содержания кислорода в стали. При содержании марганца в стали более 1,5 % свариваемость ухудшается, так как увеличивается твердость стали, образуются закалочные структуры и могут появиться трещины.
Кремний вводится в сталь как раскислитель. При содержании кремния более 1 % свариваемость стали ухудшается, так как возникают тугоплавкие окислы, что ведет к появлению шлаковых включений. Сварной шов становится хрупким.
Хром при значительном содержании в стали снижает ее свариваемость вследствие образования тугоплавких окислов и закалочных структур.
Никель повышает прочность и пластичность шва и не ухудшает свариваемость.
Фосфор вызывает при сварке появление холодных трещин.
Как правило, повышение уровня легирования и прочности стали приводит к ухудшению ее свариваемости. Первостепенная роль по влиянию на свойства сталей принадлежит углероду. Доля влияния каждого легирующего элемента может быть отнесена к доле влияния углерода. На этом основании о свариваемости легированных сталей можно судить по коэффициенту эквивалентности по углероду для различных элементов.
Образование холодных трещин уменьшают путем выбора рационального способа и технологии сварки, предварительного подогрева, снижения содержания водорода в сварном соединении, применения отпуска после сварки.
Элементами, обусловливающими возникновение горячих трещин, являются прежде всего сера, затем углерод, фосфор, кремний и др. Элементами, повышающими стойкость швов против трещин и нейтрализующими действие серы, являются марганец, кислород, титан, хром, ванадий.
Предупреждение образования горячих трещин может быть достигнуто путем уменьшения количества и сосредоточения швов, выбора оптимальной формы разделки кромок, устранения излишней жесткости закреплений, предварительного подогрева, применения электродного металла с более низким содержанием углерода и кремния.
Низколегированные стали хорошо свариваются всеми способами сварки плавлением. Получение при сварке равнопрочного сварного соединения, особенно термоупроченных сталей, вызывает некоторые трудности и требует определенных технологических приемов. В зонах, удаленных от высокотемпературной области, возникает холодная пластическая деформация. При наложении последующих слоев эти зоны становятся участками деформационного старения, приводящего к снижению пластических и повышению прочностных свойств металла и соответственно к возможному появлению холодных трещин. В сталях, содержащих углерод по верхнему пределу и повышенное количество марганца и хрома, вероятность образования холодных трещин увеличивается (особенно с ростом скорости охлаждения). Предварительный подогрев и последующая термообработка позволяют снимать остаточные сварочные напряжения и получать необходимые механические свойства сварных соединений из низколегированных сталей.
По разрезаемости легированные стали делятся на аналогичные четыре группы с соответствующим значением показателя эквивалента углерода.
Сварным соединением называется неразъемное соединение деталей, выполненное сваркой. В металлических конструкциях встречаются следующие основные типы сварных соединений: стыковые, нахлесточные, тавровые, угловые и торцовые (рис. 1).
Рис. 1. Сварные соединения. а— стыковое; б — нахлесточное; в — торцовое; г — угловое; Д — тавровое
Стыковое — это сварное соединение двух элементов, примыкающих друг к другу торцовыми поверхностями.
Нахлесточное — сварное соединение, в котором сваренные элементы расположены параллельно и частично перекрывают друг друга.
Тавровое — сварное соединение, в котором торец одного элемента примыкает под углом и приварен к боковой поверхности другого элемента.
Угловое — сварное соединение двух элементов, расположенных под углом и сваренных в месте примыкания их краев.
Торцовое — сварное соединение, в котором боковые поверхности сваренных элементов примыкают друг к другу.
Классификация и обозначение сварных швов
Сварной шов — это участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации расплавленного металла или в результате пластической деформации при сварке давлением, или сочетания кристаллизации и деформации. Сварные швы могут быть стыковыми и угловыми. Стыковой — это сварной шов 60—120° стыкового соединения. Угловой — это сварной шов углового, нахлесточного или таврового соединений. Сварные швы подразделяются также по положению в пространстве (в соответствии с существующими стандартами): нижнее — Н и в лодочку — Л, полугоризонтальные — Пг, горизонтальные — Г, полувертикальные — Пв, вертикальные — В, полупотолочные — Пп, потолочные — П (рис. 2).
Рис. 2. Основные положения сварки и их обозначения. 1 — нижнее; 2 — вертикальное или горизонтальное на вертикальной поверхности; 3 — потолочное
По протяженности швы различают сплошные (непрерывные) и прерывистые. Прерывистые швы могут быть цепными или шахматными (рис. 3, а).
Рис. 3. Классификация сварных швов. а — по протяженности; б — по отношению к направлению действующих усилий
По отношению к направлению действующих усилий швы подразделяются на продольные, поперечные, комбинированные и косые (рис. 3, б).
По форме наружной поверхности стыковые швы могут быть выполнены нормальными (плоскими), выпуклыми или вогнутыми (рис. 4). Соединения, образованные выпуклыми швами, лучше работают при статических нагрузках. Однако чрезмерный наплыв приводит к лишнему расходу электродного металла и поэтому выпуклые швы неэкономичны. Плоские и вогнутые швы лучше работают при динамических и знакопеременных нагрузках, так как нет резкого перехода от основного металла к сварному шву. В противном случае создается концентрация напряжений, от которых может начаться разрушение сварного соединения.
Рис. 4. Классификация сварных швов по форме наружной поверхности.
По условиям работы сварного узла в процессе эксплуатации изделия сварные швы подразделяются на рабочие, которые непосредственно воспринимают нагрузки, и соединительные (связующие), предназначенные только для скрепления частей или деталей изделия. Связующие швы чаще называют нерабочими швами. При изготовлении ответственных изделий выпуклость на рабочих швах снимают пневматическими бормашинками, специальными фрезами или пламенем аргонодуговой горелки (выглаживание).
Основные типы, конструктивные элементы, размеры и условия обозначения швов сварных соединений, выполненных наиболее распространенными способами сварки, регламентированы стандартами. В этих стандартах типы швов сварных соединений определяются видом сварного соединения, формой подготовленных кромок и типом выполненного шва.
Независимо от способа сварки условно изображают видимый шов сплошной основной линией, а невидимый — штриховой линией.
В стандартах принято буквенно-цифровое условное обозначение швов сварных соединений. Буквенная часть указывает на вид сварного соединения: С — стыковое, У — угловое, Т — тавровое, Н — нахлесточное. Цифры являются порядковым номером типа шва в данном конкретном стандарте.
Условные обозначения основных способов сварки следующие:
Р — ручная дуговая сварка (штучным электродом);
ЭЛ — электронно-лучевая сварка;
Ф — дуговая сварка под слоем флюса;
ПЛ — плазменная и микроплазменная сварка;
УП — сварка в активном газе (или смеси активного и инертного газов, плавящимся электродом);
ИП — сварка в инертном газе плавящимся электродом;
ИН — сварка в инертном газе неплавящимся электродом;
Г — газовая сварка.
Конструктивные элементы сварных соединений.
Форму разделки кромок и их сборку под сварку характеризуют три основных конструктивных элемента: зазор, притупление кромок и угол скоса кромки (рис. 5).
Рис. 5. Конструктивные элементы разделки кромок под сварку. а — угол разделки кромок; в —зазор; с — притупление; р — угол скоса кромок; 1 — без разделки кромок; 2-е разделкой кромок одной детали; в — V-образная разделка; 4 — Х-образная разделка; 5 — U-образная разделка
Тип и угол разделки кромок; определяют количество необходимого электродного металла для заполнения разделки, а значит, и производительность сварки. Х-образная разделка кромок, по сравнению с V-образной, позволяет уменьшить объем наплавленного металла в 1,6—1,7 раза. Кроме того, такая разделка обеспечивает меньшую величину деформаций после сварки. При Х-образной и V-образной разделке кромки притупляют для правильного формирования шва и предотвращения образования прожогов.
Зазор при сборке под сварку определяется толщиной свариваемых металлов, маркой материала, способом сварки, формой подготовки кромок и др. Например, минимальную величину зазора назначают при сварке без присадочного металла небольших толщин (до 2 мм) или при дуговой сварке неплавящимся электродом алюминиевых сплавов. При сварке плавящимся электродом зазор обычно составляет 0—5 мм, увеличение зазора способствует более глубокому противлению металла.
Рис. 6. Основные геометрические параметры сварных швов. е — ширина; q — выпуклость; h — глубина провара; b — зазор; к — катет; S — толщина детали
Шов сварного соединения характеризуется основными конструктивными элементами в соответствии со существующими стандартами (рис. 6).
