Книга. Юрий Федорович ПодольскийСварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка
 Скачать 6.42 Mb.
|
|
Сварка под флюсом 6 . В этом случае конец электрода в виде металлической проволоки или стержня подается под слой флюса. Горение дуги происходит в газовом пузыре, нахо- дящемся между металлом и слоем флюса, благодаря чему улучшается защита металла от вредного воздействия атмосферы и увеличивается глубина проплавления металла. Газопламенная сварка Источником теплоты является газовый факел, образующийся при сгорании смеси кис- лорода и горючего газа. В качестве последнего применяют ацетилен, водород, пропан-бута- новую смесь, пары керосина, бензина, природный, светильный, нефтяной, коксовый и другие газы. В последнее время получил распространение сжиженный газ МАФ (метилаце- тилен-алленовая фракция), который обеспечивает хорошую скорость сварки и высокое каче- ство сварочного шва, но требует применения особой присадочной проволоки с повышенным содержанием марганца и кремния. Тепло, выделяющееся при горении смеси, расплавляет свариваемые поверхности и присадочный материал с образованием сварочной ванны. 6 Международное обозначение – SAW (Submerged Arc Welding). Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 12 Физико-химическая сущность сварки металлов Итак, для соединения двух металлов в единое целое необходимо сократить расстояние между их атомами настолько, чтобы активизировались силы взаимного притяжения и уста- новилось равновесие между силами притяжения и отталкивания. Чтобы придать соединя- емым атомам соответствующее смещение, извне необходимо сообщить энергию, которую называют энергией активации. Ее при сварке вводят путем нагрева (термическая активация) или пластического деформирования (механическая активация). По признаку применяемого вида активации в момент образования межатомных связей в неразъемном соединении раз- личают два вида сварки: сварку плавлением и сварку давлением (рис. 1). Рис. 1. Схемы возможных областей сварки давлением и плавлением в зависимости от температуры (Т) и давления (Р) Сварка давлением Сущность сварки давлением состоит в пластическом деформировании металла по кромкам свариваемых частей под статической или ударной нагрузкой. Для ускорения про- цесса обычно выполняют местный нагрев деталей. Благодаря пластической деформации у кромок свариваемых деталей разрушаются окисные пленки и поверхности сближаются до расстояний возникновения межатомных связей. Зона, где образовались межатомные связи соединяемых частей при сварке давлением, называется зоной соединения. Характер процесса сварки давлением с нагревом может быть и другим. Например, при стыковой контактной сварке оплавлением свариваемые кромки первоначально оплавля- ются, а затем пластически деформируются. При этом часть пластически деформированного металла совместно с некоторыми загрязнениями выдавливаются наружу, образуя грат. На рис. 1 видно, что с увеличением температуры нагрева металла для сварки давлением требу- ются меньшие усилия. Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 13 Сварка плавлением Сущность сварки плавлением состоит в том, что при температурах выше Т пл жидкий металл одной оплавленной кромки самопроизвольно соединяется и в какой-то мере пере- мешивается с жидким металлом второй оплавленной кромки. Так создается общий объем жидкого металла, который называется сварочной ванной. Зачастую сварочная ванна полу- чается смешиванием основного и присадочного металла, вносимого непосредственно в зону сварки электродом, сварочной проволокой и т. д. Плавление основного и присадочного материалов в процессе сварки происходит под действием концентрированной энергии, вызванной сварочной дугой, пламенем горелки или каким-либо другим способом. Энергия теплового источника расходуется на нагрев металла детали, плавление присадочного материала, защитного флюса и на тепловые потери. Распределение температуры в свариваемом металле зависит от мощности источника тепла, физических свойств металла, размеров конструкции, скорости перемещения и т. д. На рис. 2 показаны изотермы – овальные кривые, сгущающиеся впереди движущегося при сварке источника тепла (электрической дуги, пламени горелки). Изотерма 1600 °C – это тем- пература плавления стали, она определяет ориентировочный размер сварочной ванны. Изо- терма 1000 °C указывает на зону перегрева металла, изотерма 800 °C показывает зону зака- лочных явлений, а 500 °C – зону отпуска. Рис. 2. Схема изотерм при сварке Затвердевание расплавленного металла, происходящее в хвостовой части ванны, назы- вается кристаллизацией. Динамика этого процесса такова: сварочная дуга, направленная в головную часть ванны, повышает в этой области температуру, в результате чего происхо- дит плавление основного и электродного металлов. Механическое давление, оказываемое дугой на жидкую фазу основного и дополнительного металлов, вызывает их перемешивание и перемещение в хвостовую часть ванны, вытесняя металл из основания ванны и открывая доступ к следующим слоям. По мере удаления металла от зоны плавления отвод тепла начи- нает преобладать над его притоком, и температура жидкой фазы снижается. Затвердевая, она Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 14 образует сварной шов – общие для основного и электродного металла кристаллы, обеспечи- вающие монолитность сварочного соединения (рис. 3, а). Рис. 3. Зоны сварного шва (а) и возможные дефекты в нем (б) Снижение температуры в хвостовой части ванны происходит за счет усиленного теп- лоотвода в прилегающий холодный металл, так как его масса по сравнению с ванной зна- чительно преобладает. Кристаллы металла начинают формироваться от готовых центров основного металла в направлении ведения сварки и принимают форму кристаллических столбов, вытянутых в сторону, противоположную теплоотводу. Свойства сварного соединения определяются характером тепловых воздействий на металл в околошовных зонах. Участок основного металла, не подвергшийся расплавлению, структура и свойства которого изменились в результате нагрева при сварке или наплавке, называется зоной термического влияния. Здесь находятся участки старения (200–300 °C); отпуска (250–650 °C); неполной перекристаллизации (700–870 °C); нормализации (840— 1000 °C); перегрева (1000–1250 °C); околошовный участок, примыкающий к линии сплав- ления (1250–1600 °C). Зона сплавления расположена вблизи границы оплавленной кромки свариваемой детали и шва и содержит образовавшиеся межатомные связи. В поперечном сечении сварного соединения она измеряется микрометрами, но роль ее в прочности металла очень велика. В зоне термического влияния из-за быстрого нагрева и охлаждения металла происхо- дят его структурные изменения. Следовательно, сварочный шов может получиться прочным и пластичным, но из-за термических воздействий на деталь качество сварки в целом будет низким (рис. 3, б). Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 15 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. Химический состав сварочного шва Химический состав сварочного шва значительно отличается от основного металла, так как в этой области происходит перемешивание основного и электродного металлов, различ- ных присадок, используемых при сварке, а также реакций взаимодействия жидкой фазы с атмосферными газами и защитными средствами. Соотношения отдельных компонентов, из которых состоит сварочный шов, зависят от способа наложения шва, режимов сварки. Например, если сварочный шов ведется с разделкой, то доля основного металла в структуре шва значительно снижается. Определение доли элемента, содержащегося в металле шва, учитывают с помощью поправочного коэффициента n, показывающего, какая доля металла, содержащегося в электроде или сварочной проволоке, переходит в металл шва. Величина n может колебаться в пределах от 0,3 до 0,95. В процессе сварки расплавленный металл активно вступает в реакцию с атмосфер- ными газами, поглощая их и тем самым снижая механические качества сварочного шва. Так, при дуговой сварке дуга, контактирующая с металлом, состоит из смеси N 2 , O 2 , Н 2 , СО 2 , СО, паров Н 2 О, паров металла и шлака. В зоне плавления металла происходит процесс диссоци- ации – распад молекул на атомы. Под воздействием высоких температур молекулярный азот, водород и кислород распадаются и переходят в атомарное состояние, при котором актив- ность газов значительно повышается. Атомы кислорода активно растворяются в жидкой фазе металла, образуя оксиды, окис- ляя примеси и легирующие элементы, содержащиеся в металле. Из-за этого снижается пре- дел прочности, предел текучести, ударная вязкость металла, ухудшается коррозионная стой- кость и жаропрочность сталей. Кислород попадает в зону сварки из окружающего воздуха, из влаги, находящейся на свариваемых кромках и флюсах, с обмазки электродов. Кислород из расплавленного металла удаляют путем введения в сварочную ванну кремния и марганца, которые взаимодействуют с оксидом железа, образуя шлак. Шлак в процессе кристаллиза- ции образует на поверхности шва твердую корку, которую удаляют механическим путем. Растворение азота в жидкой фазе большинства металлов сопровождается образова- нием нитридов, что приводит к старению металла и повышению его хрупкости. Как и кисло- род, азот попадает в зону сварки из окружающего воздуха, и для недопущения образования нитридов сварочную ванну для легированных, жаропрочных сталей и большинства цветных металлов изолируют средой защитных газов. Весьма нежелательным процессом является растворение водорода, что приводит к воз- никновению гидридов. Их образование в зоне термического влияния приводит к появлению пор, микро– и макротрещин. Водород попадает в зону сварки из атмосферного воздуха и при разложении влаги, которая имеется на свариваемых кромках, в обмазке электродов, защит- ных флюсах и т. д. Снижению содержания водорода способствует предварительное прока- ливание электродов, свариваемых поверхностей и тщательная их зачистка. Окись углерода в жидкой фазе металла практически не растворяется, но влияние этого соединения на качество сварочного шва огромно. В процессе кристаллизации металла окись углерода начинает выделять пузырьки, образуя поры в массиве сварочного шва. Негативное влияние на состав сварочного шва оказывает сера, которая находится в основном и присадочном металлах, покрытиях, флюсах и т. д. Под действием высоких тем- Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 16 ператур в сварочной ванне образуется сульфид железа (FeS), в процессе кристаллизации которого возникает эвтектика 7 (ее температура плавления ниже, чем у основного металла). Пары воды, находящиеся в жидкой фазе металла, взаимодействуют с ней, образуя оксиды железа и водород. Бороться с этими вредными явлениями чрезвычайно трудно, и полностью изолировать сварочную ванну от влияния атмосферных газов чаще всего не удается. Чтобы снизить влия- ние на сварочную ванну атмосферных газов, применяют разные виды защиты – электродное покрытие, защитные газы, флюсы, вакуум и т. д. Это значительно снижает интенсивность металлургических реакций и позволяет добиться хорошего качества сварочного шва. Кроме того, большая скорость охлаждения сварочной ванны не позволяет металлургическим реак- циям завершиться полностью. Роль защитных газов, флюсов и шлаков Защитные газы изолируют сварочную ванну от атмосферного воздействия, поэтому металлургические процессы протекают только между элементами, содержащимися в основ- ном и присадочном металлах. Наиболее эффективными являются инертные газы – аргон и гелий. Роль активного газа СO2 сводится к оттеснению от сварочной ванны окружающего воздуха, и в первую очередь азота. Кроме того, при высоких температурах углекислый газ диссоциирует с выделением кислорода, который, в свою очередь, окисляет металл. В связи с этим в сварочную проволоку вводят раскислители, такие как марганец и кремний. Другим следствием влияния кислорода является резкое снижение поверхностного натяжения, что приводит, среди прочего, к более интенсивному разбрызгиванию металла, чем при сварке в аргоне или гелии. Защитная роль газов и флюсов значительно повышается при тщательной зачистке свариваемых кромок, где могут быть посторонние элементы, влияющие на происходящие в сварочной ванне химические процессы. Защитные средства (флюсы, электродные покрытия и т. д.) под воздействием высоких температур, поддерживаемых в зоне сварки, плавятся, образуя шлак. Покрывая сплошной пленкой сварочную ванну, шлак изолирует расплавленный металл от атмосферных газов, сдерживая металлургические реакции. Кроме того, при взаимодействии с жидким металлом расплавленные флюсы меняют состав сварочной ванны. К примеру, флюсы, содержащие в своем составе марганец и крем- ний, способствуют процессу восстановления этих веществ и частично препятствуют окис- лению углерода, что снижает вероятность образования в металле шва пор. В нейтрализации отрицательного влияния серы, фосфора и других веществ участвует марганец, содержащийся в флюсах и покрытиях. Он является более активным элементом, чем свариваемый металл, и, вступая в реакцию с сульфидом железа FeS, образует менее 7 Эвтектика – тонкая смесь твердых веществ, одновременно выкристаллизовывающихся из расплава при температуре более низкой, чем температура плавления отдельных компонентов, а также жидкий расплав или раствор, из которого воз- можна такая кристаллизация. Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 17 растворимый сульфид марганца MnS, вызывая перераспределение серы из расплавленного металла в шлак и предотвращая тем самым появление горячих трещин. К сожалению, флюсы не позволяют полностью освободиться от вредных примесей в сварочной ванне, но их роль в сварочном процессе огромна. Они снижают скорость кри- сталлизации, что способствует более полному выводу газов из расплавленного металла, осу- ществляют его металлургическую обработку, раскисляя металл и легируя сварочный шов. Кроме того, флюсы стабилизируют дугу и тем самым способствуют качественному форми- рованию шва. Свариваемость металлов Реакция свариваемых материалов на технологический процесс сварки и возможность получения сварных соединений, удовлетворяющих условиям эксплуатации, называется сва- риваемостью. Свариваемость определяют три группы факторов: – химический состав и структура металла, наличие примесей, степень раскисления 8 , подготовительные операции (ковка, прокатка, термообработка деталей); – сложность формы и жесткость конструкции, масса и толщина металла, последова- тельность выполнения сварных швов; – вид сварки и сварочные материалы, режимы термических воздействий на основной материал. Наиболее существенное влияние на свариваемость оказывает углерод, способствую- щий образованию закалочных структур, и легирующие элементы (хром, вольфрам, молиб- ден), способствующие возникновению карбидов. Основной характеристикой свариваемости является отсутствие холодных или горячих трещин при сварке. Трещины, возникающие при температурах выше 800–900 °C, называ- ются горячими, а при температурах ниже 300 °C – холодными. Холодные трещины образуются под влиянием закалочных явлений, атомов водорода и остаточных растягивающих напряжений. Чувствительность сварного соединения к образо- ваниям холодных трещин оценивают эквивалентным содержанием углерода в детали. Для этого используют эмпирические формулы, из которых наиболее распространенная имеет вид: При С экв < 0,45 сталь сваривается без холодных трещин. При С экв > 0,45 сталь склонна к образованию холодных трещин и необходим предварительный подогрев свариваемого изде- лия до температуры, где С общ – общий эквивалент углерода, зависящий от С экв и толщины h свариваемых деталей: С общ =С экв (1+0,005h). 8 Раскисление – процесс удаления из расплавленных металлов растворенного в них кислорода, ухудшающего механи- ческие свойства металла. Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 18 Допустим, нужно определить возможность сварки деталей толщиной 5 мм из стали 40ХН. Для этого понадобится справочник по маркам сталей. Для стали 40ХН содержание С = 0,36—044; Mn = 0,5–0,8; Cr = 0,45—0,75; Ni = 1–1,4; Cu ≤ 0,3; ванадий и молибден не содержатся. Для расчета возьмем средние значения химических элементов в этой стали. Следовательно, детали перед сваркой необходимо нагревать: Деформации при сварке Деформации деталей при сварке происходят из-за образования внутренних напряже- ний. Их причинами являются температурные деформации вследствие местного нагрева, усадка наплавленного металла и фазовые превращения, происходящие в металле при охла- ждении (рис. 4). В результате местного нагрева при сварке происходит значительное местное расшире- ние металла, в то время как остальная часть изделия остается в холодном состоянии. Это приводит к образованию внутренних напряжений и изгибам элементов конструкции. Рис. 4. Деформации при сварке: а – причины деформаций (I – температурная деформация из-за разности температур сварного шва и детали; II – усадка сварного шва при кристаллизации; III – усадка в резуль- тате фазовых превращений); б – искривление продольной оси из-за продольного сварного Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 19 шва или газового реза; в – деформация грибовидной формы из-за усадки сварочного шва; г – усадка трубы от кольцевого сварного шва Усадка металла, происходящая вследствие уменьшения объема жидкого металла при затвердевании, является второй по значимости причиной возникновения внутренних напря- жений. Фазовые превращения при охлаждении нагретого при сварке металла также сопровож- даются относительно небольшим изменением его объема. У сталей это изменение состав- ляет примерно 1 % объема, что также приводит к образованию внутренних напряжений. Полностью избежать деформаций при сварке не удается, но уменьшить их до прием- лемых значений можно правильным выбором вида сварки и технологии ее осуществления. Например, электродуговая сварка, при которой изделие получает сосредоточенный нагрев, вызывает коробления меньше, чем сварка газовым пламенем, при которой нагревается зна- чительный участок детали. Деформации при сварке плавлением больше, чем при сварке дав- лением. Незначительного снижения коробления достигают, отводя тепло со свариваемого участка путем подкладывания медной пластинки с обратной стороны шва, прикладывания вокруг шва асбеста, смоченного водой, и т. п. Коробление можно уменьшить и путем уравновешивания образовавшихся деформа- ций. Места соединения деталей разбивают на участки, сварка которых ведется в таком порядке, чтобы деформации, получаемые при сварке на отдельных участках, были равны по величине и противоположны по направлению. Например, при сварке двутавровой балки из трех частей можно применять очередность сварки отдельных участков, показанную на рис. 5, а. Рис. 5. Снижение деформаций изделий: а – изменением порядка сварки; б – обратноступенчатой вразброс сваркой; в – обрат- ным изгибом деталей перед сваркой Значительного снижения деформации достигают способом «обратноступенчатой» сварки. При этом способе кромки соединяемых деталей сваривают в последовательности, показанной на рис. 5, б. Коробление изделия в данном случае получается значительно меньше, так как деформации коротких швов не могут приводить к значительной деформа- ции всего изделия. Уменьшить коробление свариваемых изделий можно также способом «обратных деформаций». В этом случае соединяемые детали предварительно отгибают в сторону, обратную сварочным деформациям (рис. 5, в). Тогда в процессе сварки они, деформируясь, обретают требуемую или очень близкую к требуемой форму. Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 20 Широко применяется также способ жесткого закрепления свариваемых деталей при помощи различных приспособлений или путем прихватки, т. е. предварительной сварки кро- мок в нескольких точках по длине сварки. На 85–90 % остаточные напряжения при сварке снижаются при высоком отпуске свар- ных конструкций – нагреве до 550–680 °C и постепенном охлаждении на воздухе. При местном отпуске нагревается часть конструкции около сварного соединения; после остыва- ния остаточные напряжения сохранятся, но будут меньшими по величине. Иногда проводят поэлементный отпуск отдельных сборочных элементов и только после этого – окончатель- ную сборку конструкции. В борьбе с деформациями наиболее эффективны те мероприятия, которые выполнены до сварки: рациональное конструирование изделия, обоснование минимально допустимых размеров швов, выбор способов сварки с наименьшими погонными энергиями, предотвращение одностороннего расположения сварных швов, использование соединений с отбортовкой кромок вместо нахлесточных или стыковых соединений, выбор рациональной последовательности сварки. Снижение деформаций происходит при проковке металла после сварки по горячему металлу или после полного остывания детали. Газовым пламенем или другими способами после сварки иногда проводят местный нагрев тех зон, последующая усадка которых также уменьшает деформации изделия. |