книги / Сущность и техника различных способов сварки плавлением

УДК 621.791 А 44

Рецензенты: проф., д.т.н. Фролов В.А. "МАТИ" - Российский техно­ логическийуниверситет им. К.Э. Циолковского; проф., д.т.н. Ямпольский В.М. Московский государст­ венныйуниверситет приборостроения и информатики

Акулов А.И.

А44 Сущность и техника различных способов сварки плавлени­ ем: Учебное пособие. 2-е изд., стереотпное - М.: МГИУ, 2006.-104 с.

ISBN 5-276-00873-6

Рассмотрены сущность и техника способов сварки плавле­ нием: газовой, электродуговой, электродами с покрытием, под флюсом, в защитных газах, электрошлаковой, электронным лу­ чом и лазеро\у

Для студентов, обучающихся по направлению 651400 "Ма­ шиностроительные технологии и оборудование" по специально­ сти 150202 (120500) "Оборудование и технология сварочного производства"

ISBN 5-276-00873-6

© А.И. Акулов, 2002 © МГИУ, 2002

Рис. J. Распределение температуры по оси нормального газового пламени

Содержащиеся в сварочной зоне газы обладают восстанови­ тельными свойствами по отношению к окислам многих металлов, в том числе и к окисям железа. Поэтому ее можно назвать вос­ становительной. Содержание углерода в металле шва изменяется незначительно.

В зоне 3 или факеле пламени протекает догорание газов за

что отражает состав газов в факеле. Содержащиеся в факеле газы и продукты их диссоциации окисляют металлы, т.е. эта зона яв­ ляется окислительной.

Вид ацетиленокислородного пламени зависит от соотноше­ ния в газовой смеси подаваемой в горелку кислорода и ацетилена

О?

(/? = — - - ) . При Р = 1,1 -1,2 пламя нормальное (рис. 1). При увеС2Я 2

личении этого соотношения (например >0 = 1,5, т.е. относитель­ ном увеличении кислорода (окислительное пламя) форма и строение пламени изменяются (рис. 2). При этом реакции окис­ ления ускоряются, а ядро пламени бледнеет, укорачивается и приобретает коническую заостренную форму. В этом случае сва­ рочная зона утрачивает восстановительные свойства и приобре­ тает окислительный характер (содержание углерода в металле шва уменьшается, выжигается).

Рис. 2. Строение ацетилено-кислородного пламени ("а" - окислительное, "б" - науглероживающее)

С уменьшением Р (например, 0,5), т.е. при увеличении со­ держания ацетилена в газовой смеси реакции окисления замед­ ляются. Ядро и его очертания становятся размытыми, ядро пла­ мени удлиняется. Количество свободного углерода увеличивает­ ся, частицы его появляются в сварочной зоне. При большом из­ бытке ацетилена частицы углерода появляются и в факеле пламе­ ни (рис. 2, б). В этом случае сварочная зона становится наугле­ роживающей, т.е. содержание углерода в металле шва повышает­ ся.

Пламя заменителей ацетилена принципиально подобно аце­ тиленокислородному и имеет три зоны. В отличие от углеводо­ родных газов водородно-кислородное пламя светящегося ядра не имеет (нет светящихся частиц углерода). Одним из важнейших параметров, определяющим тепловые и значит и технологиче­ ские свойства пламени, является его температура. Она различна в различных его участках как по длине вдоль его оси (рис. 1), так и в поперечном сечении. Она зависит от состава газовой смеси и степени чистоты применяемых газов. Наивысшая температура наблюдается по оси пламени, достигая максимума в сварочной зоне на расстоянии 2-3 мм от конца ядра. Эта сварочная зона яв­ ляется основной для расплавления металла. Состав смеси газов оказывает существенное влияние на температуру пламени. С уве­ личением Р его максимум возрастает и смещается к мундштуку горелки. Это объясняется увеличением скорости горения смеси при избытке кислорода. При избытке ацетилена ( Р менее 1) на­ оборот максимум температуры удаляется от мундштука и уменьшается по величине.

Горючие газы заменители ацетилена, дешевле и недефи­ цитны. Однако их теплотворная способность ниже, чем у ацети­

лена. Максимальные температуры пламени также значительно ниже. Поэтому их используют в ограниченных объемах в техно­ логических процессах, не требующих высокотемпературного пламени (сварка алюминия, магния и их сплавов, свинца, пайка, сварка тонколистовая, газовая резка и т.д.). Например, при ис­ пользовании пропана и пропанобутановых смесей максимальная температура в пламени 2400-2500°С. Их используют при сварке стали, толщиной до 6 мм, сварке чугуна, некоторых цветных ме­ таллов и сплавов, наплавке, газовой резке и т.д.

При использовании водорода максимальная температура в пламени 2100°С.

Нагрев металла пламенем обусловлен лучистым, и в основ­ ном конвективным теплообменом между потоком горящих газов и соприкасающейся с ним поверхностью металла. При верти­ кальном положении от пламени ее растекающийся поток образу­ ет на поверхности металла симметричное относительно центра пятно нагрева. При наклоне от пламени пятно нагрева вытягива­ ется по направлению оси и сужается с боков. Интенсивность на­ грева впереди ядра выше, чем позади его.

Ввод тепла в изделие при газовой сварке происходит по большей площади пятна нагрева. Источник тепла менее сконцен­ трирован, чем при других способах сварки плавлением. В резуль­ тате обширной площади разогрева основного металла околошовная зона (зона термического влияния) имеет большие размеры, что приводит к образованию повышенных деформаций сварных соединений (коробление).

При газовой сварке на металл сварочной ванны активно воздействует газовая фаза всего пламени и особенно сварочной зоны, содержащей, в основном, СО + Н2 и частично пары воды, а также С02, ТН, 0 2 и N2 и некоторое количество свободного угле­ рода. Состав газовой фазы определяется соотношением кислоро­ да и горючего газа в газовой смеси, температурой пламени и раз­ личен в ее различных зонах. От этого зависят металлургические взаимодействия газовой фазы с металлом сварочной ванны. Ос­ новные реакции при сварке - это окисление и восстановление

температуры взаимодействия и свойств окисла. При сварке ста­ лей основное взаимодействие газовой фазы происходит с желе­ зом, т.е. образованием его окислов или восстановлением. Эле­ менты, имеющие большее сродство к кислороду, чем железо (А1, Si, Мп, Сг и.д.) могут интенсивно окисляться тогда, как реакций окисления железа (FeO) не происходит. Они легко окисляются не только в чистом виде, но и находятся в виде легирующих доба­ вок, причем чем их содержание выше, тем окисление интенсив­ нее. Окисление таких элементов, как Al, Ti, Mg, Si и некоторых других вообще исключить не удается и для уменьшения их угара следует помимо регулирования состава газовой смеси использо­ вать флюсы.

Ввиду относительно невысокого защитного и восстанови­ тельного действия пламени раскисление металла в сварочной ванне при сварке сталей достигается введением в неё марганца, кремния и других раскислителей через присадочную проволоку. Их действие основано на образовании жидкотекучих шлаков, способствующих самофлюсованию сварочной ванны. Образую­ щиеся на поверхности сварочной ванны шлаки защищают рас­ плавленный металл от кислорода, водорода и азота, газовой сре­ ды пламени и подсасываемого воздуха.

Содержащийся в пламени водород может растворяться в расплавленном металле сварочной ванны. При кристаллизации металла часть не успевшего выделиться водорода может образо­ вать порты. Азот, попадающий в расплавленный металл из воз­ духа, образует в нем нитриды. Структурные превращения в ме­ талле шва и околошовной зоне при газовой сварке имеют такой же характер, как и при других способах сварки плавлением (см.6.2). Однако вследствие медленного нагрева и охлаждения шва имеет более крупнокристаллическую структуру с равновес­ ными неправильной формы зернами. В нем при сварке сталей с 0,15-0,3 углерода при быстром охлаждении может образовывать­ ся видманштеттовая структура. Чем выше скорость охлаждения металла, тем мельче в нём зерно и тем выше механические свой­ ства металла шва. Поэтому сварку следует производить с макси­ мально возможной скоростью.

Зона термического влияния состоит из тех же характерных участков, как и при дуговой сварке. Однако ее ширина значи­

тельно больше (до 30 мм при сварке стали больших толщин) и за­ висит от режима газовой сварки.

В процессе сварки происходит расплавление основного и присадочного металлов. Регулирование степени их расплавления определяется мощностью горелки, толщиной металла и его теплофизическими свойствами. Газовая сварка выполняется с исполь­ зованием сварных соединений различного типа. Металл толщиной до 2 мм соединяют встык без разделки кромок и без зазора или, что лучше, с отбортовкой кромок без присадочного металла.

Металл толщиной 2-5 мм с присадочным металлом свари­ вают встык без разделки кромок с зазором между кромками. При сварке металла свыше 5 мм используется V или Х-образная раз­ делка кромок.

Тавровые и нахлесточные соединения допустимы только для металла толщиной до 3 мм. При большей толщине большой и неравномерный разогрев приводит к большим деформациям, ос­ таточным напряжениям и возможности образования трещин. Свариваемые кромки защищают от загрязнений на 30-50 мм ме­ ханическими способами или газовым пламенем. Перед сваркой детали сварного соединения закрепляются в сборочно-сварочном приспособлении или собираются с помощью прихваток (рис. 3).

Рис. 3. Последовательность прихватки коротких швов при малой (а) и большой (б) толщине металла

Направление движения горелки и наклон ее к поверхности металла оказывает большое влияние на эффективность нагрева металла, производительность сварки и качества.

Различают два способа сварки (рис. 4). Внешний вид шва лучше при левом способе сварки, т.к. сварщик видит процесс об­ разования шва. При толщине металла до 3 мм более производи­ тельным является левый способ сварки ввиду предварительного подогрева кромок. Однако при большой толщине металла при

сварке с разделкой кромок угол скоса кромок при правом способе на 10-15 меньше, чем при левом способе. Угол наклона мундшту­ ка может быть на 10-15 меньше. В результате повышается произ­ водительность сварки. Тепловое воздействие пламени на металл зависит от угла наклона оси пламени к поверхности (рис. 5).

Рис. 4. Правый (а) и левый (б) способы газовой сварки

ш Ш ш ш

Рис. 5. Применяемые углы наклона горелки в зависимости от толщины металла

В процессе сварки горелке сообщаются колебательные дви­ жения и конец мундштука описывает зигзагообразный путь. Го­ релку сварщик держит в правой руке. При использовании приса­ дочного металла присадочный пруток держится в левой руке. Присадочный пруток располагается под углом 45° к поверхности металла.

Оплавляемому концу присадочного прутка сообщают зигза­ гообразные колебания в направлении противоположном движе­ нию мундштука (рис. 6). Газовая сварка может производиться в нижнем, вертикальном и потолочном положениях. При сварке

вертикальных швов "на подъем" процесс удобнее вести левым способом, горизонтальных и потолочных - правым способом.

Рис. 6. Движения горелки и проволоки

а- при сварке стали толщиной более 3 мм в нижем положении,

б- при сварке угловых валиковых швов:

1 - движение проволоки; 2 - движение горелки;

3 - места задержек движений

Мощность пламени (расход горючего газа) зависит от тол­ щины металла и его теплофизических свойств. Чем больше тол­ щина металла и чем выше его температура плавления и тепло­ проводность, тем большей должна быть мощность пламени.

Расход ацетилена при углеродистой сварке может быть по­

При необходимости флюс наносится на свариваемые кром­ ки или погружается в сварочную ванну оплавляемым концом присадочного прутка, налипающим на него при погружении во флюс. Флюсы могут использоваться и в газообразном виде при подаче их в зону сварки с горючим газом.