Лекции ТиОСП. Курс лекций Технология и оборудование сварки плавлением

• Название: Курс лекций Технология и оборудование сварки плавлением
• Анкор: Лекции ТиОСП.doc
• Дата: 07.05.2017
• Размер: 28.33 Mb.
• Имя файла: Лекции ТиОСП.doc
• Тип: Курс лекций; #7190
• страница: 17 из 33

В настоящее время электроды с руднокислым покрытием (ОММ-5, СМ-5, ЦМ-7) применяются редко.

Электроды с фтористокальциевым покрытием (типа Э42А- марок УОНИ-13/45, СМ-11, УП-1/45, ЦУ-1; типа Э50- марок УОНИ-13/55 и др.) применяют при сварке низкоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей. Возможно использование их и при сварке высокоуглеродистых сталей. При этом для понижения склонности к образованию кристаллизационных трещин содер­жание углерода в металле шва при сварке среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталей ограничивают, используя электроды, обеспечивающие необходимые свойства путем легирования на­плавленного металла (главным образом кремнием и марганцем) при низком содержании углерода (обычно до 0,13—0,14%), а также путем уменьшения доли участия основного металла.

Электроды с фтористокальциевым покрытием чувствительны к образованию пор при наличии на свариваемых кромках ржавчины, окалины или масла, при увлажнении покрытия и при случайном удлинении дуги. Подобные свойства электродов обусловлены особенностями шлаков, формирующихся на основе карбонатов и плавикового шпата, и высокой раскисленностью металла шва, что достигается за счет введения в состав покрытия ферромарганца, ферросилиция, а в некоторых случаях ферротитана и ферроалю­миния. Металл шва, выполненного электродами с фтористокаль­циевым покрытием, — глубоко успокоенная сталь с содержа­нием 0,3—0,6% Si.

Электроды с рутиловым покрытием (типа Э42- марок АНО-1 АНО-5, АНО-6; типа Э46- марок МР-3, ОЗС-4, ЦМ-9, АНО-3) используют в основном для сварки низкоуглеродистых сталей. Металл шва, полученный данными электродами, по своему ка­честву занимает промежуточное положение между металлами швов полученных электродами в рудиокислым и фтористокальциевым покрытиями.

Электроды с покрытием рутилового типа мало склонны к обра­зованию пор при сварке по загрязненной и окисленной поверх­ности, при колебаниях длины дуги. Пористость в металле шва обнаруживается при сварке сталей с повышенным содержанием кремния, при сварке на повышенной силе тока и сварке электро­дами, прокаленными при относительно высокой температуре. Со­хранение определенной гарантированной влажности электродного покрытия позволяет обеспечить наименьшую предрасположенность металла шва к пористости. С этой целью рекомендуют отсырев­шие электроды с рутиловым покрытием прокаливать при темпера­туре 180—200° С в течение 1 ч и использовать электроды для сварки через сутки после прокалки.

Шлаковую основу покрытия рутилового типа составляют рутил, алюмосиликаты, карбонаты. Газовая за­щита создается за счет разложения карбонатов и органических составляющих покрытия.

Металл швов, выполненных электродами с рутиловым покры­тием в зависимости от состава покрытия представляет собой полу­спокойную или спокойную сталь. Раскисление металла шва осу­ществляется марганцем и кремнием. Источником марганца слу­жит ферромарганец покрытия, кремний переходит в шов за счет развития кремниевосстановительного процесса. Содержание кис­лорода в металле шва обычно не превышает 0,04—0,08%.

Электроды с органическим покрытием (типа Э42- марок ОМА-2, ВСП-1, ВСЦ-2) применяют относительно редко; их ис­пользуют при сварке металла малых толщин, при сварке трубо­проводов.

При сварке электродами с покрытием органического типа за­щита расплавленного металла в основном обеспечивается газами, образующимися в результате разложения органических состав­ляющих покрытия.

При сварке низкоуглеродистых сталей обычно обеспечиваются достаточно высокие механические свойства сварного соединения и поэтому в большинстве случаев не требуются специальные меры, направ­ленные на предотвращение образования в нем закалочных струк­тур. Однако при сварке угловых швов на толстом металле и пер­вого слоя многослойного шва для повышения стойкости металла против кристаллизационных трещин может потребоваться пред­варительный подогрев до температуры 120—150° С.

Для сварки рядовых конструкций из низкоуглеродистых сталей применяют электроды типа Э42А, а ответственных — типа Э46. Это обеспечивает получение металла швов с достаточной стойкостью против кристаллизационных трещин и требуемыми прочностными и пластическими свойствами.

Техника заполнения швов и определяемый ею термический цикл сварки зависят от предварительной термообработки стали. Сварка толстого металла каскадом и горкой, замедляя скорость охлаждения металла шва и околошовной зоны, предупреждает образование в них закалочных структур. Это же достигается при предварительном подогреве до температуры 150—200 °С. Поэтому эти способы дают благоприятные результаты на нетермоупрочненных сталях. При сварке термоупрочненных сталей для уменьше­ния разупрочнения стали в околошовной зоне рекомендуется сварка длинными швами по охлажденным предыдущим швам.

Следует выбирать режимы сварки с малой погонной энергией. При этом достигается и уменьшение протяженности зоны разупрочненного металла в околошовной зоне. При исправлении де­фектов в сварных швах низкоуглеродистых сталей повышенной толщины швами малого сечения вследствие значительной скорости охлаждения металл подварочного шва и его околошовной зоны обладает пониженными пластическими свойствами. Поэтому дефектные участки следует подваривать шва­ми нормального сечения длиной не менее 100 мм или предвари­тельно подогревать до температуры 150—200 °С.
Сварка под флюсом

Автоматическую сварку обычно выполняют электродной паволокой диаметром 3—5 мм, полуавтоматическую проволокой диаметром 1,2—2 мм. Равнопрочность соединения достигается за счет подбора соответствующих составов флюсов и электродных прополок и выбора режимов и техники сварки. При сварке низ­коуглеродистых сталей в большинстве случаев применяют флюсы марок АН-348-А и ОСЦ-45, АН-60 и др. и низкоуглеродистые электродные проволоки марок Св-08 и Св-08А. При сварке ответственных кон­струкций, а также ржавого металла рекомендуется использовать электродную проволоку марки Св-08ГА.

Использование указанных материалов позволяет получить металл шва с механическими свойствами, равными или превышаю­щими свойства основного металла. Металл шва обладает малой склонностью к образованию пор и кристаллизационных трещин.

Основу шлаковой системы флюсов АН-348-А и ОСЦ-45 состав­ляют окислы марганца и кремния. Подобная композиция шлака обеспечивает переход элементов раскислителей кремния и марганца в сварочную ванну в результате развития на границе раздела шлак—металл кремне- и марганцевосстановительных процессов. Основной недостаток по­добного способа введения элементов раскислителей в сварочную ванну заключается в загрязнении металла шва микроскопическими шлаковыми включениями (суммарное со­держание кислорода в металле шва достигает 0,05%). Это вызы­вает некоторое снижение пластических свойств металла шва и его ударной вязкости. Однако, несмотря на некоторое загрязнение металла шва шлаковыми включениями, применительно к низкоуглеродистым сталям пластические свойства металла шва харак­теризуются достаточно высоким уровнем (ан = 10-14 кгс-м/см ).

Для придания определенных физико-технологических свойств (вязкости, температуры плавления, чувствительности к влаге и др.) в состав флюса вводят фтористый кальций.

Малая склонность металла шва к образованию кристаллиза­ционных трещин при сварке под высокомарганцовистыми флю­сами обусловлена тем, что значительная часть серы при нали­чии в шлаке больших количеств МпО находится в виде соеди­нения MnS.

При сварке под высокомарганцовистыми флюсами-силикатами возможен переход фосфора из шлака в сварочную ванну. Во флюс фосфор попадает как примесь с марганцевой рудой. Поскольку фосфор понижает ударную вязкость металла шва, то при исполь­зовании высокомарганцовистых флюсов особенно необходимо сле­дить за чистотой флюса по фосфору.

Малая склонность к образованию пор в металле шва при на­личии окалины или ржавчины на свариваемых кромках обуслов­лена наличием в шлаке (Si0₂) и (CaF₂). Окись кремния понижает концентрацию свободной закиси железа в шлаке, благодаря чему уменьшается переход кислорода в сварочную ванну. Развитие кремневосстановительного процесса до известных пределов (по содержанию окалины или ржавчины) обеспечивает достаточный переход кремния в сварочную ванну. Тем самым предотвращается образование пор, вызванных выделением СО.

Малая чувствительность к влаге, входящей в состав ржавчины, или адсорбированной, обусловлена наличием во флюсе фтористого кальция. Фтористый кальций понижает стабильность горения дуги и служит источником образования вредных фтористых газов. Для повышения стабильности горения дуги при питании ее перемен­ным током необходимы источники с повышенным напряжением холостого хода (не ниже 65—70 В).

Необходимой защиты зоны сварки от атмосферы воздуха и устойчивого протекания процесса достигают при определенной толщине слоя флюса, которую назначают в зависимости от мощности дуги (толщина слоя флюса составляет 25—35 мм при силе сварочного тока Iсв = 200-400 А и 45—60 мм при Iсв = 800-1200А).

Формирование металла шва зависит от физического состояния флюса, пемзовидного или стекловидного. Пемзовидные флюсы (например, АН-60) обладают меньшей объемной массой, чем стек­ловидные (например, АН-348А), и поэтому плавятся легче. Это обеспечивает большую подвижность дуги и способствует формиро­ванию широких швов с малым усилением. Пемзовидные флюсы используют при сварке на большой скорости. Однако защитные свойства пемзовидного флюса ниже. Так, например, при сварке под стекловидным флюсом содержание азота в металле шва со­ставляет 0,0025%, а под пемзовндным 0,038%. Пемзовидный флюс может вносить в зону дуги большее количество водорода (влаги), поэтому пемзовидные флюсы требуют более тщательного контроля влажности.

Формирующая способность флюса зависит также от его грану­ляции, поскольку последняя определяет газопроницаемость флюса. С увеличением мощности дуги хорошее формирование шва сохра­няется при обеспечении достаточной газопроницаемости. Поэтому с увеличением мощности дуги используют более крупнозернистый флюс.

Режимы автоматической сварки под флюсом могут изменяться в широких пределах в зависимости от толщины свариваемых эле­ментов, диаметра электрода, формы шва (прямолинейный, коль­цевой), имеющегося оборудования и др. Металл швов, выпол­ненных автоматической сваркой под флюсом, имеет достаточно высокие свойства: = 460-500мПа; = 26-32%.

Керамические флюсы (К-2, КВС-19, К-11 и др.) используют для сварки низкоуглеродистых сталей. По сравнению с плавле­ными флюсами керамические менее чувствительны к образованию пор при наличии на свариваемых кромках ржавчины и влаги. Однако керамические флюсы обладают меньшей прочностью, что затрудняет их многократное использование, и более чувстви­тельны к режиму сварки. Применительно к сварке низкоугле­родистых сталей наиболее рационально и экономически оправ­дано использовать керамические флюсы для сварки ржавого и увлажненного металла, когда операция зачистки, обеспечиваю­щая полное удаление ржавчины, вызывает значительные труд­ности.

В конструкциях из низкоуглеродистых сталей наряду со сваркой с разделкой кромок широко приме­няется сварка стыковых швов и швов без разделки кромок. Уве­личение доли основного металла в металле шва, характерное для этого случая, и некоторое увеличение содержания в нем углерода могут повысить прочностные свойства и понизить пластические свойства металла шва.

Таблица 1 –Режимы сварки под флюсом

Толщина металла или катет шва	Подготов- ка кромок	Тип шва	Диаметр электрод- ной прово- локи, мм	Сила тока, А	Напряже- ние, В	Скорость сварки, м/ч
Автоматическая сварка стыковых швов
8 12 >16	Без раз- делки, зазор 2-4мм То же V-образ- ные	Односто- ронний Двусторон- ний Односто- ронний	4 5 5	550-600 650-700 1 проход 750-800 2 проход 800-900	26-30 30-34 30-35	48-50 30-32 32-36
Автоматическая и механизированная сварка угловых швов
5 7 8 12	Без разделки = = =	Наклонным электродом = В лодочку =	2 3 3 4	260-280 500-530 550-600 600-650	28-30 30-32 32-34 32-34	28-30 44-46 28-30 18-20

Примечание.Ток постоянный обратной полярности.
Режимы сварки низкоуглеродистых сталей зависят конструкции соединения, типа шва и техники сварки (Табл.1).

Свойства металла околошовной зоны зависят от термического цикла сварки. При сварке угловых однослойных швов и стыковых и угловых швов на толстолистовой стали типа ВСтЗ на режимах с малой погонной энергией в околошовной зоне возможно образо­вание закалочных структур с пониженной пластичностью. Пре­дупредить это можно увеличением сечения швов или применением двухдуговой сварки.

В зависимости от условий сварки и охлаждения свойства сварных соединений на низкоуглеродистых сталях изменяются в широких пределах.

.

Сварка в защитных газах

Для сварки угле­родистых сталей в качестве защитного газаиспользуют угле­кислый газ, реже смеси инертного газа с кислородом или угле­кислым газом; инертные газы (аргон) практически не используют.

Сварку в атмосфере инертных газов вольфрамовым электродом применяют для металла толщиной до 2 мм.Часто для исключения присадочной проволоки сваривают соединения с отбортовкой кромок.

В качестве защитного газа используют в основном аргон, для повышения стабильности горения дуги, улучшения формирования шва и понижения чувствительности процесса к пористости из-за водорода применяют аргон с добавкой кислорода (до 5%) или углекислого газа (до 10%).

Сварку плавящимся электродом применяют для металла тол­щиной более 0,8 мм. Диаметр электродной проволоки выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла в пределах 0,5—3 мм.

Сварку в атмосфере углекислого газа широко используют при изготовлении изделий из углеродистых сталей. В зависимости от толщины свариваемого металла применяют или неплавящийся— угольный или графитовый электрод (для толщин до 2 мм), или плавящийся электрод (для толщин свыше 0,8 мм).

Углекислый газ обеспечивает защиту металла в зоне сварки от атмосферы воздуха, но в то же время окисляет защищаемый металл. Окисление жидкого металла происходит в результате непосредственного взаимодействия металла с углекислым газом, а также с кислородом, образующимся в результате диссоциации углекислого газа:

Окисление жидкого металла вызывает большие потери леги­рующих элементов из капель электродного металла, приводит к повышению содержания кислорода в металле сварочной ванны. В результате возрастает вероятность образования пор из-за выделения окиси углерода в процессе кристаллизации и сни­жаются механические свойства металла шва.

Образование пор из-за выделения окиси углерода при сварке углеродистых сталей предотвращается, если металл шва содержит до 0,12—0,14% С, не ниже 0,17—0,20% Si, не ниже 0,5—0,8% Мп. При этом металл шва характеризуется малой склонностью к об­разованию кристаллизационных трещин и достаточно высокими механическими свойствами. Увеличение содержания углерода приводит кповышению вероятности образования кристаллиза­ционных трещин. Повышение содержания кремния сверх 0,45% понижает пластические свойства металла шва и также увеличи­вает вероятность образования кристаллизационных трещин. Ве­роятность их образования снижается при повышении содержания марганца до 1,2%.

В большинстве случаев при сварке низкоуглеродистых сталей беспористые швы указанного выше состава получают при приме­нении кремнемарганцовистых электродных проволок Св-08Г2С и Св-08ГС, обеспечивающих малую загрязненность металла шва окисными включениями. Содержание окисных включений при сварке низкоуглеродистой стали проволокой Св-08ГС состав­ляет 0,014%, а проволокой Св-08Г2С 0,009%. Меньшая загряз­ненность металла шва окисными включениями при сварке низко­углеродистой стали проволокой Св-08Г2С обусловлена более рациональным содержанием кремния и марганца в металле шва (0,23% Si, 0,72% Мп), при котором продукты раскисления фор­мируются в виде жидких силикатов.

Процесс дуговой сварки в атмосфере углекислого газа менее чувствителен к ржавчине на свариваемых кромках по сравнению со сваркой под флюсом. Это обусловлено оттеснением газовой струей влаги, испаряющейся при сварке из ржавчины, и окисли­тельными свойствами газовой среды. Однако подобный эффект достигается при использовании углекислого газа с малым содер­жанием паров воды. Использование углекислого газа с повышен­ным содержанием паров воды может привести к образованию пор в швах и снижению пластических свойств металла шва. В подоб­ных случаях необходима предварительная осушка газов. Обычно для этой цели используют поглотители (хлористый кальций, силикагель и др.).

На свойства металла шва (образование пор, механические свойства) большое влияние оказывают также загрязнения, имею­щиеся на поверхности электродной проволоки: технологическая смазка (чаще всего мыло), антикоррозионная смазка (обычно нитрит натрия), ржавчина. Наиболее рациональный способ уда­ления поверхностных смазок — прокалка проволоки при тем­пературе 150—250° С в течение 1,5—2 ч. Ржавчину удаляют трав­лением или зачисткой перед прокалкой.

Образование пор при сварке в углекислом газе возможно при нарушении газовой защиты: при чрезмерном удлинении дуги, наличии сквозняков, значительных зазоров в соединениях. Нару­шение защиты приводит к повышению содержания кислорода и азота в металле шва и образованию пористости.

Для сварки в углекислом газе используют проволоки рутилфлюоритного (ПП-АН4, ПП-АН9 и др.) и рутилового (ПП-АН8 и др.) типов. Применение порошковой проволоки взамен про­волоки сплошного сечения позволяет также повысить устойчи­вость горения дуги, уменьшить разбрызгивание электродного металла, повысить пластические свойства металла и улучшить формирование швов. При применении порошковой проволоки необходимо иметь в виду, что увлажнение материала сердечника проволоки может привести к образованию пор. Прокалка про­волоки при температуре 240—250°С позволяет предотвратить развитие указанных дефектов. При этом обеспечивается также удаление с поверхности проволоки технологической смазки.

Сварку в атмосфере углекислого газа угольным или графитовым электродом выполняют на постоянном токе прямой полярности.

При сварке на обратной полярности наблюдается науглерожи­вание металла шва. Сварку плавящимся электродом выполняют на постоянном токе обратной полярности-. При сварке на прямой полярности снижается стабильность горения дуги и повышается разбрызгивание электродного металла.

При сварке в углекислом газе наблюдается повышенное по сравнению с другими способами сварки разбрызгивание элек­тродного металла (даже при сварке на обратной полярности при достаточной плотности тока). Некоторая часть капель расплавлен­ного металла, вылетающих из зоны сварки, прилипает или сплав­ляется со свариваемой деталью, соплом горелки и токоподводящим мундштуком. Налипание капель на поверхность сопла и токоподводящего мундштука может нарушить равномерную по­дачу электродной проволоки, ухудшить газовую защиту, поэтому необходимо периодически очищать сопло и токоподводящий мунд­штук от брызг. В некоторых случаях требуется удаление прилип­ших капель с поверхности изделия.

Снижению разбрызгивания электродного металла способ­ствуют увеличение тока, уменьшение диаметра электродной про­волоки и напряжения дуги. Для уменьшения прилипания капель к деталям горелки и поверхности свариваемого изделия иногда применяют противопригарные смазки, например, алюминиевую пудру, замешенную на жидком стекле, или смесь циркона с жид­ким стеклом и др.

Добавки в углекислый газ аргона (75% Ar, 25% CO₂) (иногда в эту смесь вводят кислород) изменяют технологические свойства дуги (глубину проплавления и форму шва, стабильность дуги и др.) уменьшают разбрызгивание электродного металла и позволяют регулировать концентрацию легирующих элементов в металле шва.

В таблице 2 приведены режимы механизированной и автоматической сварки в углекислом газе