Сварочные работы. Практическое пособие

На качественное формирование сварного шва влияют следующие параметры:

● величина и подбор сварочного тока;

● зажигание сварочной дуги;

● угол наклона электрода;

● скорость сварки;

● длина дуги;

● манипулирование электродом;

● заварка кратера и обрыв дуги.

Умелое применение и сочетание этих параметров, что в значительной степени и составляет мастерство сварщика, позволяет выполнить прочный и красивый сварной шов.

Выбор режимов сварки

Под режимом сварки понимают совокупность контролируемых параметров, определяющих условия сваривания металла. Такими параметрами являются сила сварочного тока, напряжение дуги, скорость сварки, род и полярность тока. Дополнительные параметры: положение шва в пространстве; число проходов; температура окружающей среды.

Силу сварочного тока устанавливают в зависимости от диаметра электрода, который, в свою очередь, выбирают в зависимости от толщины свариваемого изделия. На диаметр электрода влияют также тип сварного соединения, положение шва в пространстве, размеры детали, состав свариваемого металла. При сварке встык металла толщиной до 4 мм применяют электроды диаметром, равным толщине свариваемого металла. При сварке металла большой толщины применяют электроды ∅ 4–8 мм при условии обеспечения провара основного металла. В многослойных стыковых швах первый слой выполняют электродом ∅ 3–4 мм, последующие слои – электродами большего диаметра.

Сварку в вертикальном положении проводят с применением электродов диаметром не более 5 мм. Потолочные швы выполняют электродами диаметром до 4 миллиметров.

Ориентировочный расчет силы сварочного тока делают по следующим формулам:

● для электрода ∅ 3–6 мм сварочный ток I = (20 + 6d_э) × d_э × k;

● для электрода ∅ < 3 мм сварочный ток I = 30 × d_э × k.

Коэффициент k при выполнении швов в нижнем положении принимают равным 1, вертикальных швов – 0,9, потолочных швов – 0,8. Сварку швов в вертикальном и потолочном положениях выполняют, как правило, электродами диаметром не более 4 мм. Ориентировочные данные режимов ручной дуговой сварки приведены в табл. 11 и 12. Однако следует учесть, что зависимость между диаметром электрода и силой тока может быть не прямой и, в зависимости от вида стали и применяемых электродов, приходится вводить поправки. В табл. 13 приводится пример подбора сварочного тока для наиболее распространенных типов электродов в зависимости от свариваемых сталей и диаметра электрода. В табл. 14 показана зависимость силы сварочного тока от толщины свариваемого металла и положения сварки в пространстве.

При увеличении диаметра электрода и неизменном сварочном токе плотность тока уменьшается, что приводит к блужданию дуги, увеличению ширины шва и уменьшению глубины провара. Чем больше диаметр электрода, тем меньше допустимая плотность тока, так как ухудшаются условия охлаждения.

Наконец, формирование валиков при одной и той же величине сварочного тока будет разным, если они выполнены на разных толщинах. Поэтому окончательный подбор тока необходимо производить на технологической планке, толщина которой близка к толщине сварочного изделия. Например, для изделия толщиной более 10 мм сварочный ток, подобранный на тонкой пластине, будет незначительным для хорошего формирования валика. Прогревание основного металла в этом случае меньше, соответственно, растекаемость жидкой ванны незначительна, что и сказывается на форме и чешуйке сварного шва. Необходимо добавить 10–20 А или подобрать сварочный ток на соответствующей планке. В табл. 15 показано влияние величины сварочного тока на качество и форму сварного шва.

Род и полярность тока выбирают в зависимости от способа сварки и свариваемых материалов. Прямую полярность («—» на электроде) используют при сварке с глубоким проплавлением основного металла; низко– и среднеуглеродистых и низколегированных сталей толщиной 5 мм и более электродами с фтористо-кальциевым покрытием (марок УОНИИ-13/45, УОНИИ-13/55 и др.); чугуна.

Обратную полярность («+» на электроде) используют при сварке с повышенной скоростью плавления электродов; низколегированных низкоуглеродистых сталей (типа 16Г2АФ); средне– и высоколегированных сталей и сплавов; тонкостенных листовых конструкций.

Переменный ток используют при сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей (типа 09ГС) в строительно-монтажных условиях электродами с рутиловым покрытием; в случаях возникновения магнитного дутья; толстолистовых конструкций из низкоуглеродистых сталей.

При этом следует учитывать влияние силы сварочного тока, напряжения дуги и скорости сварки на форму и размеры шва. С увеличением сварочного тока глубина провара увеличивается, а ширина шва почти не изменяется.

С повышением напряжения ширина шва резко увеличивается, а глубина провара уменьшается. Это важно учитывать при сварке тонкого металла. Несколько уменьшается и выпуклость шва. При одном и том же напряжении ширина шва при сварке на постоянном токе (особенно обратной полярности) значительно больше, чем ширина шва при сварке на переменном токе.

Зажигание дуги

После подбора сварочного тока наибольшее влияние на качество сварного шва оказывает зажигание дуги и начало сварки.

Существует два способа зажигания сварочной дуги.

Первый способ – способ тычка, или короткого замыкания (рис. 23, а). После короткого соприкосновения торца электрода с изделием необходимо произвести отрыв его на высоту, равную диаметру электрода или чуть больше. Такой способ зажигания дуги легко применять электродами с качественно изготовленными торцами. Недостаток способа тычка заключается в возможности прилипания электрода к изделию. Это происходит при длительном коротком замыкании (КЗ) (положение II) либо при отрыве электрода из положения II в положение III на длину бóльшую, чем диаметр электрода, с последующим чрезмерным укорачиванием длины дуги; так как дуговой разряд еще не стабилизировался, происходит залипание электрода с изделием. Избежать залипания можно путем плавного укорачивания дугового разряда до необходимой длины дуги после ее стабилизации. Отрывать прилипший электрод следует резким поворачиванием его вправо и влево.

Второй способ – способ чирка, когда электродом вскользь чиркают, как спичкой, по поверхности металла. Чиркать надо в направлении сварки, чтобы не оставлять лишних следов. При поступательном движении электрода, как показано на рис. 23, б, после соприкосновения торца электрода с изделием и после появления искрения надо приподнять электрод для возникновения сварочной дуги. После стабильного горения перейти на необходимую длину дуги (h = диаметр электрода). Данный способ исключает прилипание электрода к изделию. Если электрод все же прилип, скорее всего, его покрытие повреждено. В этом случае надо сжечь выступающий из-под покрытия край электрода.

Рис. 23. Зажигание дуги:

а – способом тычка; б – способом чирка

В случае появления стартовых пор (видимых невооруженным глазом) или прилипания электрода к изделию при зажигании сварочной дуги необходимо прекратить начало сварки и выбрать (вырубить) место зажигания подручными средствами (зубилом, болгаркой и др.). После этого нужно обжечь электрод на технологической пластине, быстро и аккуратно удалить незастывший шлак с торца электрода путем легкого постукивания электродом обо что-либо твердое (дерево, наждачный круг, металлическую планку, изолированную от изделия, или прочий подручный материал) и после этого возобновить зажигание сварочной дуги. Не рекомендуется переплавлять нечеткое зажигание сварочной дуги, так как это может привести к дефектам в месте зажигания (стартовые поры, зашлаковка, непровар).

Зажигание сварочной дуги на изделии для продления сварного шва производится впереди кратера (рис. 24). Путь от положения 1 до положения 5 следует выполнять быстро, чтобы не получить валик в этом месте. Времени от начала зажигания дуги и до начала сварки обычно достаточно для того, чтобы сориентироваться, где начать наложение первой чешуйки металла шва. Начало сварки следует выполнять на застывшем кратере в верхней ее части, стараясь соединить край жидкой ванны с последней чешуйкой закристаллизовавшегося шва, предварительно обив кратер от застывшего шлака.

Начало сварки внизу кратера приводит к большим и глубоким перепадам между чешуйками в местах смены электродов. Начало сварки на самой вершине кратера приводит к бугристости сварного шва. Такие углубления и бугры создают трудности при сварке последующего слоя и способствуют появлению дефектов. Кроме этого, необходимо выполнить ряд дополнительных условий.

Рис. 24. Зажигание сварочной дуги для продления сварного шва

Должны отсутствовать или быть незначительными перепады в местах стыковки.

При наведении жидкой ванны необходимо проследить за тем, чтобы ее граница совпадала с последней чешуйкой предыдущего валика.

Наклон электрода в начале сварки должен быть равным или больше 90° к поверхности кратера, что не позволяет жидкому шлаку стекать вниз кратера. Скорость продвижения электрода от позиции 1 должна быть чуть быстрее, чем скорость сварки. В позиции 2 необходимо произвести задержку для проплавления места перехода кратера с основным металлом и после этого начать наложение сварного валика с определенной скоростью.

Все вышеперечисленное позволяет производить сварку (наплавку) с минимальными перепадами и повышает производительность труда.

Угол наклона электрода

Угол наклона электрода по отношению к изделию и направлению сварки значительно влияет на качественное формирование сварного шва. Защиту сварочной дуги и жидкой ванны металла шва от окружающей среды осуществляют газовый пузырь и жидкий шлак. Шлак поддерживает в жидком состоянии металл шва более длительное время (2–3 с). За это время в более полной мере протекают металлургические процессы, успевают в основном выйти из металла шва газы и шлаки.

Поддержание металла шва в жидком состоянии более длительное время позволяет сформировать валик правильной формы, с плавным переходом к основному металлу и равномерными чешуйками с минимальными перепадами между ними. Исходя из вышесказанного, очень важно, чтобы жидкий шлак укрывал жидкий металл шва сразу за дугой, как бы накрывая сварной шов «одеялом», сохраняя при этом тепло и отдаляя время начала кристаллизации шва. Это обеспечивается углом наклона электрода по отношению к направлению сварки. Существуют три положения наклона электрода по отношению к направлению сварки:

1. Cварка под прямым углом (рис. 25, а);

2. Cварка углом назад (рис. 25, б);

3. Cварка углом вперед (рис. 25, в).

Рис. 25. Положения наклона электрода:

а – сварка под прямым углом; б – сварка углом назад; в – сварка углом вперед

Первое («прямое») положение электрода позволяет жидкому шлаку двигаться следом за сварочной ванной, накрывая жидкий металл шва, что способствует качественному формированию сварного шва. Незначительная часть шлака все же появляется впереди электрода, но не оказывает помехи процессу сварки. Впереди идущий жидкий шлак легко вытесняется по обе стороны валика сварного шва более тяжелым жидким металлом шва. В том случае, когда все-таки шлак впереди начинает мешать процессу сварки, необходимо сделать наклон электрода в сторону направления сварки до восстановления нормального процесса. Под прямым углом электрод держат обычно при необходимости варить в труднодоступных местах, а также при потолочной сварке.

При сварке углом назад силой давления сварочной дуги жидкий шлак вытесняется назад и отстает от жидкой сварочной ванны. Появляется оголенный участок жидкого металла шва и происходит быстрое остывание (кристаллизация) сварного шва. В этом случае валик получается с неравномерными чешуйками и значительными перепадами.

Необходимо выровнять положение электрода до момента, когда жидкий шлак будет следовать сразу за электродом. Сварка углом назад предпочтительна при работе с угловыми и стыковыми соединениями. Она позволяет увеличить глубину провара и высоту выпуклости, но при этом уменьшается ширина шва. Прогрев кромок недостаточен, поэтому возможны несплавления и образование пор.

При сварке углом вперед впереди электрода следует жидкий шлак, мешающий процессу сварки. Он накапливается в большом количестве, натекает на холодный металл и подстывает. Сварочная дуга начинает блуждать, а иногда и гаснуть. Сварной шов становится неровным, с пропусками проплавления по краям, а иногда и в середине шва. В этом случае необходимо выровнять положение электрода до вертикального. Метод углом вперед применяется в горизонтальных, вертикальных и потолочных швах, а также при сварке неповоротных стыков труб. При сварке таким методом уменьшается глубина провара и высота выпуклости шва, но заметно возрастает его ширина, что позволяет сваривать металл небольшой толщины. Лучше проплавляются кромки, поэтому возможна сварка на повышенных скоростях.

Электродами с рутиловым покрытием типа МР, АНО и др. сварку следует производить только углом назад ввиду большого количества шлака и высокой его жидкотекучести. При сварке угол наклона электрода с рутиловым покрытием к изделию всегда меньше, чем электрода с основным покрытием.

В каждом конкретном случае необходимо выбирать такой угол наклона электрода, чтобы силой давления дуги не позволять жидкому шлаку «сзади отставать и вперед забегать». Поэтому, в зависимости от многих факторов, угол наклона электрода определяет только сварщик.

Скорость сварки

Скорость движения электрода по направлению сварки тоже влияет на качество и геометрические размеры сварного шва, его форму и глубину проплавления.

Необходимо выбирать такую скорость сварки, чтобы сварочная ванна (кратер) заполнялась электродным металлом и поднималась над поверхностью с плавным переходом к основному металлу без подрезов и наплывов.

Как сварщику уловить необходимую скорость продвижения электрода? Подобрав необходимый сварочный ток, произведя четкое зажигание дуги, выбрав угол наклона электрода в зависимости от расположения шлака, оптимальную скорость определяют по ширине валика, его высоте и по мере его формирования. Валик должен получаться с плавным переходом к основному металлу, равномерной чешуйкой, без подрезов. Данную скорость легко сохранять путем поддержания одинаковой ширины сварочной ванны вокруг электрода, равной примерно двум его диаметрам (включая покрытие). Высота валика должна составлять 0,5–0,7 диаметра электрода.

При маленькой скорости электрода на единицу площади сварного шва приходится значительное количество наплавленного электродного металла, что приводит к росту высоты валика; когда она превышает диаметр электрода, жидкий металл растекается бесформенно. Возможны дефекты: наплывы, непровары по бокам валика, прожоги на тонком металле.

С увеличением скорости сварки глубина провара сначала возрастает (до скорости 40–60 м/ч), а затем уменьшается. При этом ширина шва уменьшается постоянно.

При большой скорости (более 70–80 м/ч) ширина валика равна диаметру электрода с покрытием или меньше него. В этом случае происходит недостаточное прогревание основного металла, быстрая кристаллизация сварочной ванны. Возможны дефекты: подрезы, непровары. Формирование валика неудовлетворительное.

Установки тока могут меняться в зависимости от ситуации. Толстый металл рассеивает тепло, поэтому нужен больший ток. Тонкий металл расплавится быстро, поэтому тока надо меньше. Точные установки тока зависят от поведения ванны, а начинать надо с рекомендованных установок.

Но не бойтесь увеличить или уменьшить ток. Сварка зависит от температуры основного металла, поэтому нельзя говорить о токе без учета скорости сварки. Двигаем электрод быстрее – меньше тепла поступает в основной металл. Если двигать электрод слишком быстро, металл не будет прогрет, шов будет непроплавленным, узким, с малой выпуклостью, с крупными чешуйками наверху. Если двигаемся слишком медленно, тепла поступает больше, металл слишком сильно прогревается, ванна расплывается и становится трудноуправляемой. Сварной валик становится слишком выпуклым, шов – неровным по форме, с наплывами по краям. Вследствие чрезмерно большого ввода теплоты дуги в основной металл часто образуется прожог, и расплавленный металл вытекает из сварочной ванны. В некоторых случаях, например при сварке на спуск, образование под дугой жидкой прослойки из расплавленного электродного металла повышенной толщины, наоборот, может привести к образованию непроваров.

На тонком металле глубокий провар тем более не нужен. Чем тоньше металл, тем быстрее надо двигаться. Можно применить такую технику: расплавить основной металл, затем длинной дугой охладить его и плавить снова. Этот метод можно использовать и для заполнения зазоров в плохо подогнанных соединениях. Двигайте электрод вглубь зазора, потом отводите, чтобы остудить ванну, и так постепенно заполняйте шов. Это же движение используется и при заполнении многослойного шва.

Когда скорость перемещения соответствует току, ванна растекается, но остается управляемой, ее края тонкие и шов одинаковой толщины. Когда вы научитесь хорошо управлять электродом, то сможете поставить чуть больший ток и увеличить скорость сварки. Больший ток обеспечит лучшее проплавление и более гладкий шов в итоге, но контролировать ванну при этом труднее.

Длина дуги

После возбуждения дуги электрод нужно выдерживать некоторое время в точке начала наплавки, пока не сформируется сварной шов и не произойдет расплавление основного металла. Сварочная ванна сначала будет маленькой, потом станет больше. В таком состоянии ее и надо удерживать. При этом не нужно прямо смотреть на слепящую дугу. Сфокусируйтесь на зоне дальше дымящихся искр, на расплавленной ванне за электродом.

Очень важно научиться удерживать постоянную длину дуги, т. е. зазор между концом электрода и основным металлом, во время продвижения по шву. Длина дуги значительно влияет на ширину, форму и качество сварного шва и зависит от марки и диаметра электрода, пространственного положения сварки, разделки свариваемых кромок и т. п. На глубину проплава влияет незначительно.

Нормальной длина дуги считается в пределах 0,5–1,1 диаметра электрода. Показателями оптимальной длины дуги являются резкий потрескивающий звук, ровный перенос капель металла через дуговой промежуток, малое разбрызгивание.

Короткая дуга горит устойчиво и спокойно. Она обеспечивает получение высококачественного шва, так как расплавленный металл электрода быстро проходит дуговой промежуток и меньше подвергается окислению и азотированию. При использовании электродов с тонким покрытием короткая дуга обеспечивает наилучшее качество сварки. Но слишком короткая дуга может вызывать прилипание электрода, дуга прерывается, нарушается процесс сварки.

Длинная дуга горит неустойчиво, с характерным шипением. Глубина проплавления недостаточная, расплавленный металл электрода разбрызгивается и больше окисляется и азотируется. Шов получается бесформенным, а металл шва содержит большое количество оксидов.

Чем лучше вы управляете длиной дуги, тем лучше будете варить. Помните, что интенсивная дуга отталкивает ванну и глубоко прогревает металл. При сварке надо следить, чтобы шов был на уровне свариваемой поверхности.

Выбор длины дуги зависит от типа электрода и положения в пространстве изделия при сварке. При использовании электродов с тонким покрытием длина дуги должна быть минимально короткой, не более диаметра электрода. При шлакообразующих или газообразующих электродах длина дуги может быть от 3 до 5 миллиметров.

Напряжение дуги зависит от ее длины и изменяется в пределах 30–60 В. Чем короче дуга, тем меньше напряжение, чем дуга длиннее, тем сильнее напряжение приближается к верхнему порогу.

Выбирая ту или иную длину дуги, приходится учитывать положение свариваемого изделия. Вертикальная и потолочная сварки требуют более короткой дуги, чем при положении изделия, требующем нижней сварки.

Следует учесть, что при изменении длины дуги значительно меняется рабочее напряжение, что влияет на ширину валика. Умение сварщика держать постоянно определенную длину дуги положительно сказывается на равномерности ширины валика и его форме. Нормальную (среднюю) дугу рекомендуется применять при наплавке, сварке в нижнем положении, короткую дугу – при сварке горизонтальных, вертикальных, потолочных швов угловых и стыковых соединений и в других ситуациях, когда требуется проплавление. Длинную дугу применять не рекомендуется.

Минимальную длину дуги можно принять равной половине диаметра электрода, а максимальную – диаметр электрода + 1 миллиметр.

Например, для электрода ∅ 3 мм длина дуги составляет 1,5–4 мм, для электрода ∅ 4 мм – 2–5 миллиметров.

Манипулирование электродом

В процессе сварки электрод постоянно находится в движении. Сварщик сообщает ему следующие движения (рис. 26):

1 – поступательное по оси электрода в сторону сварочной ванны (вследствие расплавления электрода), при этом для сохранения постоянства длины дуги скорость движения должна соответствовать скорости плавления электрода;

2 – перемещение вдоль линии свариваемого шва; скорость этого движения (скорость сварки) устанавливается в зависимости от тока, диаметра электрода, скорости его плавления, вида шва и других факторов;

3 – перемещение электрода поперек шва для получения так называемого уширенного валика – шва шире, чем ниточный сварной валик, получаемый при прямолинейном движении. Этими движениями за один проход получают шов шириной до четырех диаметров электрода.

Манипулирование электродом позволяет управлять жидким шлаком и металлом шва, что необходимо для получения качественного сварного соединения, а также для формирования валика определенной формы и ширины. Движения следует выполнять плавно, без резких колебаний. При поперечных колебаниях электрода необходимо выбрать такую ширину валика, чтобы сварочная ванна была в жидком состоянии по всей своей ширине. Причем если ток мал, то металл не прогреется должным образом и сварочная ванна будет «бегать» за электродом. Если тока много, то основной металл будет слишком горячим, дуга будет прожигать металл, отталкивая его назад. Когда ток нормальный, ванна растекается по поверхности, ее внешние края тонкие. И вот тогда-то движением электрода можно расширять и передвигать ванну.

Рис. 26. Перемещения электрода при сварке:

а – направления движения; б – угол наклона в горизонтальной и вертикальной плоскости

Сварной шов, образованный в результате двух движений торца электрода – поступательного и вдоль линии шва, называют ниточным. Его ширина при оптимальной скорости сварки составляет (0,8–1,5)d_э. Ниточным швом заполняют корень шва при многослойной сварке, сваривают тонкие заготовки, выполняют наплавочные работы и производят подварку подрезов.

Сварка осуществляется в направлении как слева направо, так и справа налево, от себя и на себя. При этом положение электрода может быть углом вперед, углом назад и под прямым углом, о чем говорилось выше.

Кроме движений вдоль и вглубь шва, перемещать электрод приходится чаще всего и поперек шва. Глубина проплавления основного металла и формирование шва главным образом зависят от вида этих поперечных колебаний, которые обычно совершают с постоянными частотой и амплитудой относительно оси шва (рис. 27). Траектория движения конца электрода зависит от пространственного положения сварки, разделки кромок и навыков сварщика. При сварке с поперечными колебаниями получают уширенный валик, а форма проплавления зависит от траектории поперечных колебаний конца электрода, т. е. от условий ввода теплоты дуги в основной металл.

Рис. 27. Основные виды траекторий поперечных движений рабочего конца электрода при слабом (а – б), усиленном (в – з) прогреве свариваемых кромок; усиленном прогреве одной кромки (и – к); прогреве корня шва (л)

Зигзагообразные прямые движения по ломаной линии, или «лесенку» (рис. 27, а, к), чаще всего применяют в нижнем, вертикальном и потолочном положениях для получения наплавочных валиков при сварке встык без скоса кромок. Чтобы не произошло прогара, смотрите на верхний край сварочной ванны каждый раз, когда меняете направление.

Движения дугой вперед (рис. 27, б) применяют в вертикальном и потолочном положениях для стыковых швов со скосом кромок, а также для угловых швов с катетом менее 6 мм, выполняемых в любом положении электродами диаметром до 4 миллиметров.

Такие же движения, но дугой назад используются для сварки в нижнем положении, а также для вертикальных и потолочных швов с выпуклой наружной поверхностью. При необходимости усилить прогрев свариваемых кромок на краях зигзагов электрод слегка придерживают (рис. 27, в).

Движения треугольником (рис. 27, д) применяют для угловых швов с катетом более 6 мм и стыковых швов со скосом кромок в любом пространственном положении. Дает хороший провар корня шва. Для сварки толстостенных конструкций с гарантированным проплавлением корневого участка в корне шва электрод задерживают.

Петлеобразные и круговые движения (рис. 27, е – и, л) используют для усиленного прогревания кромок шва, особенно при сварке высоколегированных сталей. Электрод задерживают на краях, чтобы не было прожога в центре шва или вытекания металла при сварке вертикальных швов. Во время круговых движений при поперечном перемещении электрода смотрите поверх «мостика» – границы ванны и шлака, потом на другую сторону и распределяйте ванну по кругу.

Нужно понимать, что расплавленная ванна следует за теплом. Когда вы передвигаете электрод вдоль линии сварки, присадочный металл электрода движется позади. Если металла вокруг недостаточно, вы оставляете подрезы. Подрез это пустое место – канавка на краю шва ниже уровня металла (см. рис. 16, в). Чтобы избежать этого, надо контролировать границы ванны, утончая ее на поверхности.

Манипулировать ванной позволяет сила сварочной дуги. Когда электрод стоит вертикально, дуга давит на ванну вниз. Это приводит к глубокому проплавлению основного металла и равномерно распространяет ванну вокруг кратера. Наклоняя электрод, мы отталкиваем ванну, а шов начнет подниматься – всплывать (рис. 28, а). Чем ближе к перпендикуляру по отношению к поверхности металла расположен электрод, тем менее выпуклым будет шов. Чем больше мы его наклоняем, тем шов выпуклее (рис. 28, б).

Но здесь следует быть осторожным – если наклон слишком велик, дуга будет давить в направлении шва, делая ванну трудноуправляемой. Поэтому используют разные углы наклона электрода.

В табл. 16 приведены рекомендуемые ширины валика в зависимости от положения сварки в пространстве, при которых возможно поддержание шва в жидком состоянии по всей ширине валика. Ширина валика от минимального до среднего диапазона (1–2 диаметра электрода) может быть получена без колебательных движений, за счет скорости продвижения электрода, длины дуги и силы сварочного тока. Ширина валика более двух диаметров электрода обеспечивается манипулированием электрода. Среднее значение ширины (два диаметра электрода) позволяет вести сварку в обоих случаях.

Рис. 28. Манипулирование сварочной ванной с помощью силы дуги:

а – глубокое проплавление металла; б – «всплывание шва»

При сварке углеродистых сталей используется весь рекомендуемый диапазон ширины.

Начинать сварку лучше всего при наклоне электрода от 45 до 90°. С таким углом работать удобнее, хорошо видна сварочная ванна.

Ручную дуговую сварку (наплавку) покрытыми электродами со стержнями из сталей аустенитного класса следует выполнять узкими валиками шириной не более трех диаметров применяемых электродов.

Заварка кратера и обрыв дуги

Завершая шов, важно правильно заваривать кратер. Кратер является зоной с наибольшим количеством вредных примесей ввиду повышенной скорости кристаллизации металла, поэтому в нем наиболее вероятно образование трещин. Поэтому по окончании сварки не следует обрывать дугу, резко отводя электрод от изделия. Необходимо прекратить все перемещения электрода и медленно удлинять дугу до обрыва; расплавляющийся при этом электродный металл заполнит кратер.

Другой метод: в конце шва прекратить перемещение электрода, задержав его на 1–2 c, чтобы заполнить кратер, затем сместиться по шву назад примерно на 5 мм и быстрым движением вверх и назад оборвать дугу. Кратер необходимо оставлять пологим, что позволит качественно начать сварку новым электродом.

При окончании электрода в середине шва обрыв дуги необходимо производить обратным возвращением электрода в сторону валика и быстрым отрывом от кратера. В этом случае также кратер необходимо оставлять пологим. Нельзя «тянуть» (обрывать) дугу медленным увеличением ее длины до прерывания дугового разряда. В данном случае в кратере возможно появление свища (газовой поры, выходящей на поверхность кратера). Нельзя допускать при окончании электрода крутого кратера, который получается при неправильном обрыве дуги и почти всегда, когда высота валика равна диаметру электрода или больше него.

При крутом кратере в начале сварки нового электрода жидкий шлак быстро стекает вниз кратера и подстывает, что может привести к непровару и зашлаковке. Поэтому при случайных обрывах дуги или при смене электродов применяется специальная техника повторного зажигания дуги, обеспечивающая начало сварки с хорошим сплавлением и внешним видом. В таких случаях дуга должна возбуждаться на передней кромке кратера, затем через весь кратер переводиться на противоположную кромку, на только что наплавленный металл, и после этого снова вперед, в направлении проводившейся сварки. Если электрод при повторном зажигании дуги не будет достаточно далеко отведен назад, между участками начала и конца сварки останется углубление. Если же при повторном зажигании электрод отвести слишком далеко назад, то на поверхности сварного валика образуется высокий наплыв.

Чтобы высота шва оставалась одинаковой, можно путем обрыва дуги в конце сварного шва и дополнительных зажиганий на этом же месте добиться необходимой высоты валика. Между обрывом дуги и дополнительным зажиганием необходимо сделать небольшую выдержку на время, в течение которого не успевает остыть (затвердеть) шлак, а металл шва успевает подстыть (начать кристаллизоваться). Это необходимо для легкого повторного зажигания дуги без обивки шлака. Однако такой способ может привести к образованию оксидных и шлаковых загрязнений металла.

Сварка металла малой толщины

Сварка листовой стали малой толщины (0,5–2,0 мм) связана с определенными трудностями. Тонкий металл легко прожигается дугой, а прожоги трудно поддаются заплавке. Опасаясь этого, сварщик иногда недостаточно проплавляет кромки листов, накладывая валик на нерасплавленные кромки. В этом случае возникают непровары и неплотности.

При сварке тонколистовой стали рекомендуется:

● специально подготавливать кромки;

● применять временные или остающиеся подкладки;

● уменьшать величину сварочного тока;

● использовать специальные электроды;

● применять специальные источники питания.

Стыковые соединения выполняют с закладкой между кромками прутка или полоски. Сварку ведут так, чтобы дуга горела только на прутке или полоске, при этом кромки основного металла оплавляются косвенным теплом дуги.

При сварке на подкладках листы собирают встык без зазора и сварку ведут без колебательных движений электрода. Сварку стыковых соединений тонколистовой стали лучше выполнять не в нижнем, а в вертикальном положении – сверху вниз. Для очень тонких листов (0,5 мм) применяют нахлесточные соединения, сварку ведут на подкладке с проплавлением верхнего листа. В качестве остающихся подкладок используют стальные полоски, в качестве временных – медные полосы.

Величина тока принимается в пределах 40–80 А в зависимости от диаметра электрода. При выполнении нахлесточных соединений со сквозным проплавлением верхнего листа величина тока устанавливается на 10–15 % больше, чем при выполнении стыковых соединений.

Для сварки тонколистовой стали применяют электроды ∅ 1,6–2,5 мм с тонким или средним по толщине слоем покрытия.

Источники питания, используемые для сварки тонколистовой стали, должны иметь повышенную величину напряжения холостого хода (80–90 В) и плавную регулировку сварочного тока с малым нижним пределом порядка 40 А.

Техника сварки и наплавки в нижнем положении

Это положение позволяет получать сварные швы наиболее высокого качества, так как облегчает условия выделения неметаллических включений и газов из расплавленного металла сварочной ванны. Условия формирования металла шва наилучшие, так как расплавленный металл сварочной ванны удерживается от вытекания нерасплавившимися кромками.

Стыковые швы сваривают без разделки кромок или с V-, Х– и U-образным скосом. Стыковые швы без разделки кромок, в зависимости от толщины, сваривают с одной или двух сторон. Необходимо тщательно следить за равномерным расплавлением обеих свариваемых кромок по всей их толщине и особенно стыка между ними в нижней части (корне шва).

Однопроходную сварку с V-образной разделкой кромок обычно выполняют с поперечными колебаниями электрода на всю ширину, чтобы дуга выходила со скоса кромок на необработанную поверхность металла. Однако в этом случае очень трудно обеспечить равномерный провар корня шва по всей его длине, особенно при изменении величины притупления кромок и зазора между ними. Рекомендуемый зазор при сборке стыкового соединения при V-образной разделке зависит от притупления и толщины свариваемого металла. Чем толще металл и больше притупление, тем больше зазор, и наоборот. Прихватки в зазор рекомендуется производить электродами ∅ 3 мм с минимальной высотой. Протяженность прихваток 10–15 мм. В зависимости от размеров изделия и толщины металла прихватки выполняются по условиям чертежа или технологического процесса, в которых оговорены протяженность и частота прихваток.

При сварке такого шва за несколько проходов обеспечить хороший провар первого слоя в корне разделки гораздо легче. Для этого обычно применяют электроды ∅ 3–4 мм и сварку ведут без поперечных колебаний. Последующие слои выполняют в зависимости от толщины металла электродом большего диаметра с поперечными колебаниями. Для обеспечения хорошего провара между слоями предыдущие швы и кромки следует тщательно очищать от шлака и брызг металла.

Для зачистки шва от шлака удобно применять специальный инструмент – металлическую щетку, оснащенную маленьким молоточком для сбивания шлаковых наслоений.

Заполнять разделку кромок можно швами с шириной на всю разделку или отдельными валиками (рис. 29). Однослойный однопроходный шов выполняется за один проход (напроход). При сварке металла большой толщины шов выполняют слоями, каждый из которых накладывают за один проход (многослойный) или за несколько проходов (многослойный многопроходный). В многопроходных швах последний валик (поз. 11 на рис. 29, д) для улучшения внешнего вида иногда можно выполнять на всю ширину разделки (декоративный слой).

Рис. 29. Способы выполнения швов различной длины (а – напроход; б – от середины к краям; в – обратноступенчатый) и поперечные сечения многослойных (г) и многопроходных (д) стыковых швов; нумерация соответствует порядку выполнения швов

Сварка за один проход предпочтительнее при ширине шва не более 14–16 мм, так как дает меньше остаточных деформаций. При толщине металла более 15 мм сварка каждого слоя напроход нежелательна. Первый слой успевает остыть, и в нем возникают трещины. Для равномерного прогрева металла по всей длине швы накладывают двойным слоем («горкой»), каскадом или блоками. При каскадном способе заполнения шва двойным слоем второй слой накладывают по неостывшему первому после удаления сварочного шлака в противоположном направлении на длине 200–400 мм. Сварка «горкой» – разновидность каскадного метода. Ее ведут два сварщика одновременно от середины к краям. Оба метода – это обратноступенчатая сварка не только по длине, но и по сечению шва, причем зона сварки всегда остается горячей.

При сварке блоками шов заполняют отдельными ступенями по всей высоте сечения шва. Этот метод применяют при соединении деталей из сталей, закаливающихся при сварке.

Швы с Х– или U-образным скосом кромок по сравнению с V-образным имеют преимущества: в 1,6–1,7 раза уменьшаются объем наплавленного металла и угловые деформации, улучшается провар корня шва. Сварку этих швов выполняют так же, как и с V-образной разделкой, но для уменьшения остаточных деформаций и напряжений желательно накладывать каждый валик или слой попеременно с каждой стороны. Рекомендованный зазор при Х-образной разделке – 3 миллиметра.

При сварке на весу (рис. 30, а) наиболее трудно обеспечить провар корня шва и формирование хорошего обратного валика по всей длине стыка. В этом отношении более благоприятна сварка на плотно прижатой съемной медной или остающейся стальной подкладке (рис. 30, б – в). Последние увеличивают расход металла и не всегда технологичны. В медной подкладке для формирования обратного валика делают формирующую канавку, но могут возникнуть трудности точной установки кромок вдоль формирующей канавки.

Рис. 30. Схема сварки стыковых швов:

а – на весу; б – на медной съемной подкладке; в – на остающейся стальной подкладке; г – с предварительным подварочным швом; д – удаление непровара в корне шва для последующей подварки

Если с обратной стороны возможен подход к корню шва и допустима выпуклость обратной стороны шва, целесообразна подварка корня швом небольшого сечения с последующей укладкой основного шва (рис. 30, г). В некоторых случаях при образовании непроваров в корне шва после сварки основного шва дефект в корне разделывают газовой, воздушно-дуговой строжкой или механическими методами (рис. 30, д) с последующим выполнением подварочного шва.

Сварку угловых швов в нижнем положении можно выполнять двумя приемами. Сварка вертикальным электродом «в лодочку» (рис. 31, а) обеспечивает наиболее благоприятные условия для провара корня шва и его формирования. По существу этот прием напоминает сварку стыковых швов с V-образной разделкой кромок, так как шов формируется между свариваемыми поверхностями. Однако при этом способе требуется тщательная сборка соединения под сварку с минимальным зазором в стыке для предупреждения вытекания в него расплавленного металла.

Рис. 31. Положение электрода и изделия при сварке:

а – «в лодочку»; б – таврового соединения; в – внахлестку; г – углового соединения

При наложении угловых швов наклонным электродом, в т. ч. «в лодочку», сварку лучше вести углом назад. Во избежание непровара и подрезов кромок сварку «в лодочку» лучше выполнять методом опирания электродного покрытия на кромки.

При сварке наклонным электродом (рис. 31, б – г) трудно обеспечить провар шва по нижней плоскости ввиду натекания на нее расплавленного металла и предупредить подрез на вертикальной плоскости из-за стекания расплавленного металла. Поэтому таким способом обычно сваривают швы с катетом до 6–8 мм. При сварке угловых швов наклонным электродом трудно также обеспечить глубокий провар в корне шва, поэтому в односторонних или двусторонних швах без разделки кромок может образоваться непровар, который под нагрузкой послужит началом развития трещин. Для предупреждения этого в ответственных соединениях при толщине металла 4 мм и более необходима односторонняя, а при толщине 12 мм и более – двусторонняя разделка кромок.

Тавровые и угловые швы без скоса кромок с катетами более 10 мм выполняют в один слой поперечными движениями электрода треугольником с задержкой в корне шва. Дугу при этом возбуждают на горизонтальной полке, а не на вертикальной, чтобы избежать натекания металла.

При сварке наклонным электродом многопроходных швов первым выполняют шов на горизонтальной плоскости. Формирование последующего валика происходит с частичным удержанием расплавленного металла сварочной ванны нижележащим валиком.

Наплавка. Наплавка на поверхности изделия выполняется одиночными валиками. Каждый последующий валик необходимо выполнять так, чтобы центр сварочной дуги (электрода) проходил по краю предыдущего валика, перекрывая его на половину или на треть ширины (рис. 32, а). Перед сваркой очередного валика предыдущий валик нужно очистить от шлака и крупных брызг зубилом и металлической щеткой от нагара.

Рис. 32. Наплавка:

а – формирование валиков наплавки; б – выравнивание высоты по краям; 1 – наплавленный металл; 2 – дополнительные валики

Наблюдая за центром дуги, одновременно необходимо следить за краем жидкой ванны, который должен доходить (или чуть-чуть не доходить) до вершины предыдущего валика. Наклон электрода по отношению к изделию и предыдущему валику должен составлять 80–90°. Наклон электрода по отношению к направлению сварки определяется по правилу: «чтобы шлак вперед не забегал и сзади не отставал». Сварочный ток и диаметр электрода, в зависимости от толщины изделия, – максимальные или близкие к максимальным.

При наплавке нужно использовать среднюю длину дуги. При сварке с манипулированием электродом перемещение электрода необходимо производить от центра шва на предыдущий валик и на изделие на равное расстояние. Постоянно следует следить за геометрией, высотой и шириной предыдущего и выполняемого валика.

Для выравнивания высоты по краям наплавленного участка необходимо произвести невысокие дополнительные валики (рис. 32, б). Это поможет добиться минимальных перепадов между валиками, что не потребует механической зачистки перед наплавкой последующего слоя.

При многослойной наплавке жидкотекучий шлак «спешит» занять несовершенство предыдущего слоя (углубления), что вносит дополнительные сложности в процесс сварки. В данном случае после тщательной зачистки предыдущего слоя от шлака необходимо центром дуги обязательно идти по центру углублений, иначе требуется дополнительная зачистка первого слоя от глубоких перепадов между вершинами. В данном случае теряются качество и производительность наплавки.

Высота наплавки каждого слоя зависит от диаметра электрода и не должна превышать ¾ его диаметра.

Техника сварки и наплавки на вертикальной и потолочной плоскостях

Сварка швов в положениях, отличающихся от нижнего, требует повышенной квалификации сварщика в связи с возможным вытеканием расплавленного металла из сварочной ванны под действием сил тяжести или падением капель электродного металла мимо сварочной ванны. Здесь сварку следует вести по возможности наиболее короткой дугой, в большинстве случаев с поперечными колебаниями.

Расплавленный металл в сварочной ванне удерживается от вытекания в основном силой поверхностного натяжения. Поэтому необходимо уменьшать ее размер, для чего применяют пониженную на 10–20 % силу тока, а конец электрода периодически отводят в сторону от ванны, давая возможность ей частично закристаллизоваться. Ширину валиков также уменьшают до 2–3 диаметров электрода. Для вертикальных и горизонтальных швов диаметр электрода составляет не более 5 мм, для потолочных – не более 4 миллиметров.

Сварку вертикальных швов можно выполнять на подъем (снизу вверх) или на спуск (сверху вниз).

Сварка на подъем (рис. 33, а) – наиболее удобный и производительный способ, поскольку нижележащий закристаллизовавшийся металл шва помогает удержать расплавленный металл сварочной ванны. Облегчается возможность провара корня шва и кромок, так как расплавленный металл стекает с них в сварочную ванну, улучшая условия теплопередачи от дуги к основному металлу.

Рис. 33. Положение электрода при сварке швов:

а – вертикальных снизу вверх; б – вертикальных сверху вниз; в – горизонтальных; г – потолочных

Дугу возбуждают в нижней точке шва. Сваркой подготавливают горизонтальную площадку сечением, равным сечению шва. При этом электрод совершает поперечные колебания: зигзагом, полумесяцем, елочкой. Наклоном электрода добивайтесь, чтобы давление дуги удерживало ванну. Двигаться надо довольно быстро. Как только ванна начинает течь с одного края, переходите на другую сторону и вверх. Если свариваемый металл будет слишком горячим, вы рискуете его прожечь или ванна может выпасть. Подбирайте ток и скорость движения такими, чтобы вы могли удерживать ванну. Не останавливайтесь и не перегревайте основной металл – это главная причина выпадения ванны. Смотрите при этом на шов под электродом.

Для сварки углового вертикального шва вначале наплавляют полочку на свариваемые кромки, а затем небольшими порциями наплавляют металл, манипулируя электродом все выше и оставляя внизу готовый сварной шов. При проходе елочкой электрод вначале поднимают вверх вправо, а затем опускают вниз. Капля жидкого металла застывает между кромками. Затем электрод поднимают влево и снова опускают вниз, оставляя новую порцию металла.

Наибольший провар достигается при положении электрода, перпендикулярном вертикальной оси. Стекание расплавленного металла предотвращают наклоном электрода вниз.

Минусом данного способа является внешний вид шва – грубочешуйчатый.

Способ сверху вниз (рис. 33, б) рекомендуется в основном для сварки тонких (до 5 мм) листов с разделкой кромок. Используются электроды с целлюлозным покрытием (ОЗС-9, АНО-9, ВСЦ-2, ВСЦ-3). Дугу возбуждают в верхней точке шва. После образования капли жидкого металла электрод наклоняют так, чтобы дуга была направлена на нее.

При сварке на спуск получить качественный провар трудно: шлак и расплавленный металл подтекают под дугу и от дальнейшего стекания удерживаются только силами давления дуги и поверхностного натяжения. В некоторых случаях их оказывается недостаточно, и расплавленный металл вытекает из сварочной ванны. Поэтому держите кончик электрода приподнятым, чтобы давление дуги толкало ванну вверх. Работайте круговыми движениями, удерживая зазор и расширяя ванну в стороны. Надо все время держаться впереди ванны. Если ванна будет падать, пытайтесь двигаться быстрее и ставьте немного больший ток сварки.

Сварка горизонтальных стыковыхшвов (рис. 33, в) еще более затруднена из-за стекания расплавленного металла из сварочной ванны на нижнюю кромку. В результате возможно образование подреза по верхней кромке. При сварке металла большой толщины обычно делают скос только одной верхней кромки, нижняя помогает удерживать расплавленный металл в сварочной ванне.

Обычно горизонтали варят слева направо, чтобы ванна была лучше видна. В перпендикулярной плоскости электрод следует держать немного назад на шов. Дугу возбуждают на нижней горизонтальной кромке, затем переводят электрод на верхнюю. Шов проваривают, совершая спиральные движения. Поддерживая постоянную длину дуги, постепенно продвигайте ванну. Но каждый раз, когда электрод опускается, расплавленный металл ванны следует за ним. Чтобы ванна не падала, толкайте ее вверх, приподнимая конец электрода. Но если держать его слишком наклоненным, давление дуги вытолкнет ванну и получится наплыв. Если ванна все равно уходит вниз, попробуйте двигаться быстрее, остужая металл.

Шлак будет опускаться к низу ванны, поэтому смотрите преимущественно на верхнюю часть ванны. Но и вниз поглядывать следует, чтобы избежать наплывов.

Когда учитесь варить горизонтали, старайтесь не наплавлять слишком много металла, делайте шов небольшим. Если нужен более широкий шов, сделайте второй проход над первым.

Сварка горизонтальных угловых швов в нахлесточных соединениях несложна, так как по технике не отличается от сварки в нижнем положении.

При наплавкена вертикальной плоскости каждый выполненный валик является как бы полочкой для последующего. Центром дуги (электрода) следует проходить по верхней границе шва с такой скоростью, чтобы нижняя часть жидкой ванны проходила по вершине или чуть не доходила до вершины предыдущего валика.

Наплавка ведется снизу вверх. Последний валик рекомендуется варить на сварочном токе ниже на 10–20 А при том же диаметре электрода или использовать электрод меньшего диаметра, подобрав соответствующий сварочный ток.

Закончив проход, осмотрите каждый сделанный шов. Если что-то не получилось – делайте снова. Если совсем не получается, попробуйте варить что-нибудь другое. Красивый ровный шов придет с практикой. Тренируйтесь на разных электродах и поверхностях и помните – каждый раз надо стараться сделать качественный шов.

Сварка в потолочном положении (рис. 33, г) наиболее сложна и ее по возможности следует избегать. К тому же при сварке этих швов ухудшены условия выделения из расплавленного металла сварочной ванны шлаков и газов. Газы, выделяемые покрытием электрода, тоже поднимаются вверх и могут остаться в шве, поэтому используют только хорошо просушенные электроды.

При сварке потолочных и горизонтальных швов жидкий металл стремится вытечь из ванны. Поэтому сварку ведут короткой дугой, удерживая постоянную скорость движения. Узкие валики накладывают в потолочную разделку тремя способами.

1. Сварку выполняют периодическими короткими замыканиями конца электрода на сварочную ванну, во время которых металл частично кристаллизуется, что уменьшает объем ванны. В то же время расплавленный электродный металл вносится в сварочную ванну. Для этого электрод располагают под углом к плоскости 90–130°, подводят к изделию и зажигают дугу. После образования маленькой порции расплавленного металла электрод отводят на 5–10 мм от потолочной плоскости и тут же возвращают, перекрывая закристаллизовавшуюся порцию металла расплавленным примерно на ½ – ⅓ ее длины.

2. Электрод располагают под тем же углом и, совершая поперечные движения электродом в виде полумесяца, беспрерывно заходят электродом на закристаллизовавшуюся часть металла.

3. Угол наклона электрода по направлению сварки 80–90°. Шлак, стекая вниз, под сварной шов, не мешает вести сварку под прямым углом или углом вперед, что позволяет в потолочном положении выполнять нормальные и вогнутые валики в разделке. Концом электрода сварщик беспрерывно возвращается назад, на кристаллизующуюся часть металла, постоянно удлиняя валик шва.

При сварке потолочных швов сварочный ток выше, чем при вертикальной сварке, и ниже на 15–20 % (или равный), чем при горизонтальной. В основном применяется электрод ∅ 3–4 мм. Ширина валика и его полнота должны составлять 1–3 диаметра электрода с покрытием, что позволяет легко управлять жидким металлом. При чрезмерной ширине, полноте валика и чрезмерном сварочном токе жидкий металл шва становится трудно управляемым, что приводит к подтекам, «горбатости» валика, грубым перепадам между чешуйками и подрезам по краям шва.

Металл толщиной более 8 мм сваривают многопроходными швами. В любом случае сварка ведется только короткой дугой.

Наплавка в потолочном положении. При сварке в этом положении важен подбор сварочного тока. Если позволяет толщина изделия, более производительно применять электрод ∅ 4 мм. Наплавку рекомендуется производить узкими, 1,5–2 диаметра электрода с покрытием, одиночными валиками, что позволяет применять средний диапазон сварочного тока. Первый валик рекомендуется положить шириной в 2–3 диаметра электрода с покрытием по границе наплавки методом «сварка на себя». Последующие валики рекомендуется прокладывать слева направо или справа налево, в этом случае сварщику необходимо поменять свое положение по отношению к валикам. Наклон электрода при этом необходимо выдерживать под углом 70–80° к изделию. В остальном техника наплавки та же, что и в нижнем положении.

Техника сваркипробочных и прорезных соединений практически не отличается от рассмотренной выше техники сварки стыковых или угловых швов.

В зависимости от протяженности шва, толщины и марки металла, жесткости конструкции применяют различные приемы последовательности сварки швов и заполнения разделки. Сварку напроход – от начала до конца шва – обычно применяют при сварке коротких (до 500 мм) швов. Швы длиной до 1000 мм лучше сваривать от середины к концам или обратноступенчатым способом. При последнем способе весь шов разбивают на участки до 150–200 мм, которые должны быть кратны длине участка, наплавляемого одним электродом. После того как участок закончен, переходят к следующему, причем направление сварки для всех участков одно и то же, т. е. начало завершенного участка будет для следующего точкой завершения.

Сварка угольными электродами

Ранее этот способ называли сваркой по Бенардосу, так как этот способ предложил Н. Н. Бенардос. Сейчас этот способ применяется редко, хотя для некоторых материалов и соединений он мог бы быть незаменимым.

У сварки угольным электродом есть недостатки, но есть и достоинства, заслуживающие внимания. Для сварки и наплавки угольными электродами применяется обычно постоянный ток прямой полярности («—» на электроде). Дуга прямой полярности не науглероживает основной металл. Дуга обратной полярности («+» на электроде) интенсивно науглероживает расплавленный металл, повышая в нем содержание углерода до 0,8–1,0 %. Такой шов может подвергаться закалке, но применения в промышленности это явление до сих пор не нашло. Дуга обратной полярности малоустойчива, ее длина может составлять 10–15 мм, хотя для процесса бывает нужна более длинная. Электрод при обратной полярности сильно разогревается по всей длине до очень высокой температуры, усиливается его испарение, заостренный конец электрода притупляется и становится плоским.

Дуга прямой полярности горит очень устойчиво и может иметь длину до 30–50 мм. Электрод в дуге не плавится, его конец разогревается до высокой температуры, создавая мощную термоэлектронную эмиссию, способствующую устойчивому горению дуги даже при токах 50–100 А. Электрод медленно испаряется и не прилипает к детали, это облегчает работу сварщика.

Угольная дуга переменного тока неустойчива и применяется редко.

В процессе сварки угольная дуга способна отклоняться под действием магнитных полей, поэтому для стабилизации по линии сварки наносят пасту или порошкообразный флюс, содержащие хорошие ионизаторы дугового разряда. Сварка чаще всего применяется без присадки – по отбортовке тонких металлов и иногда по угловым соединениям (рис. 34). Это удобнее и выгоднее, нежели применять присадку. Хотя КПД этой дуги ниже, чем у металлического электрода, скорость сварки сравнительно высока – до 60 м/ч сварного шва. Примерные режимы сварки угольными электродами приведены в табл. 17.

Рис. 34. Сварка по отбортовке:

1 – свариваемые пластины; 2 – расплавляемая поверхность

Для сварки угольной дугой применяют электроды из электротехнического угля, т. е. из прессованного коксового порошка, обожженного при температуре 1400 °C, или из синтетического графита в форме стержней диаметром от 6 до 30 мм и длиной 200–300 мм с концами, заточенными на конус под углом 60–70°.

Графитовые электроды лучше угольных практически во всем, в том числе по своей доступности, так как их легко изготовить из остатков (отходов) электродов дуговых электроплавильных печей. Они хорошо поддаются обработке. Специально изготовленные графитовые электроды иногда имеют омедненную поверхность (фольгу), поэтому их стойкость повышается при работе на больших плотностях тока. Графитовые электроды имеют меньшую твердость, лучшую электропроводность (так как их электрическое сопротивление в 4 раза меньше сопротивления прессованного угля), высокую стойкость окисления на воздухе при высоких температурах. Это позволяет использовать их для сварки на больших плотностях тока со сравнительно низким расходом электродов.

Режимы сварки графитовыми электродами соединений с отбортовкой кромок приведены в табл. 18.

Следует отметить, что этот способ сварки забывается незаслуженно, так как целесообразность его применения в отдельных случаях неоспорима, в особенности для науглероживания и нанесения порошковых специальных покрытий, а также для сварки по отбортовке тонких металлов и для сварки цветных металлов дугой косвенного действия, т. е. когда дуга горит между двумя угольными электродами на переменном токе. Косвенная дуга выдувается собственным магнитным полем на длину 100–150 мм. В зависимости от угла между электродами пламя дуги имеет различную температуру по оси, понижающуюся от 6000 °C в столбе до 900 °C в конце факела. Такой дугой можно сваривать легкоплавкие металлы малых толщин, выполнять пайку твердыми припоями, нагревать металл без расплавления, нагревать и сваривать стекло, кварц, керамику.

Дуговая сварка плавящимся металлическим электродом (проволокой) в среде защитного инертного/активного газа с автоматической подачей присадочной проволоки (MIG/MAG – Metal Inert/Active Gas)[17] является наиболее употребимым методом в Европе, США и Японии. Его популярности способствуют высокая производительность и простая возможность автоматизации процесса сварки.

Технология сварки полуавтоматом несколько отличается от простой дуговой. Главное отличие – это безопасность техники и автоматизация процесса. Благодаря тому, что металлическая проволока во время сварки подается автоматически в зону сварки через сварочный пистолет, MIG/MAG часто называют полуавтоматической сваркой, так как обычно сварщик перемещает горелку вдоль шва вручную. Если при ручной дуговой сварке всю работу выполняет человек, то здесь требуются меньшие усилия.

Сварка MIG/MAG была изобретена в США в 1948 г. Изначально в ней использовались только инертные газы или аргон, содержащий лишь небольшие доли активных компонентов (например, кислорода). С 1953 г. в СССР вместо дорогостоящих инертных газов стали применять дешевый активный газ, а именно диоксид углерода (СО₂). До недавнего времени углекислота являлась наиболее распространенным видом защитного газа для полуавтоматической сварки. Сейчас наилучшим видом защитного газа для сварки стальных конструкций считаются сварочные смеси Ar + CO₂.

Кромки свариваемого изделия расплавляются дугой, горящей между изделием и плавящейся электродной проволокой, непрерывно поступающей в дугу (рис. 36). Проволока одновременно служит и токопроводящим электродом, и присадочным материалом. Дуга расплавляет проволоку и кромки изделия, образуя сварочную ванну. Дуга, металл сварочной ванны, плавящийся электрод и кристаллизующийся шов защищены от воздействия окружающей среды газом, подаваемым в зону сварки горелкой. По мере перемещения дуги сварочная ванна кристаллизуется, образуя сварной шов.

Метод MIG/MAG может использоваться для сварки как низко-, так и высоколегированных (нержавеющих) сталей, а также для сварки конструкций из алюминия и его сплавов. При этом обеспечивается высокое качество сварных соединений разнообразных металлов и их сплавов разной толщины, особенно при сварке в инертных газах из-за малого угара легирующих элементов. Эта технология обеспечивает высокую производительность сварочного процесса в различных пространственных положениях с хорошим качеством швов и низкую стоимость при использовании активных защитных газов.

Относительно новым применением этого метода является высокопроизводительная пайка MIG/MAG в среде защитного газа. Причем возможно различное сочетание соединяемых материалов: железо – железо, медь – медь, медь – железо и пр.

Рис. 36. Схема сварки MIG/MAG:

1 – изделие; 2 – капли электродного металла; 3 – металл шва; 4 – шлак; 5 – расплавленный металл; 6 – сварочная дуга; 7 – сопло горелки; 8 – поток защитного газа; 9 – сварочная проволока; 10 – механизм подачи сварочной проволоки

Принципиальная схема и особенности полуавтоматической сварки

Современные производители выпускают много разного оборудования для сварки. Но, независимо от производителя и марок, принцип работы у всех полуавтоматов один: они дают сварочный ток, подают проволоку и регулируют поток газа.

Сварочные полуавтоматы бывают компактными или универсальными. У компактного устройства источник питания, управление и устройство подачи проволоки размещены в одном корпусе (рис. 37). Радиус действия равен длине пакета шлангов горелки и составляет 3–5 м в зависимости от диаметра используемого проволочного электрода. У универсального полуавтомата устройство подачи проволоки размещается отдельно в кожухе и связано с источником тока и устройством управления с помощью промежуточного кабеля. Его можно установить рядом с изделием, благодаря чему радиус действия увеличится на 10–20 м по сравнению с компактным устройством. Подающий проволоку механизм может быть тянущим, толкающим или универсальным, т. е. выполнять сразу две функции.

Рис. 37. Схема подключения сварочного полуавтомата:

1 – баллон с защитным газом; 2 – регулятор давления и расхода газа; 3 – рукав газовый; 4 – сварочный полуавтомат; 5 – сварочная проволока; 6 – пакет шлангов; 7 – горелка; 8 – провод массы с зажимом; 9 – изделие

Источник питания понижает высокое напряжение сети и обеспечивает подачу требуемого тока высокой силы даже в случае короткого замыкания. Так как при сварке MIG/MAG используется только постоянный ток, в качестве источников тока применяются только выпрямители и инверторы (принцип их действия был описан выше в главе «Источники сварочного тока»).

Для того чтобы соответствовать особым требованиям различных производственных задач, источники питания должны быть регулируемыми. У простых устройств для сварки MIG/MAG регулирование производится с помощью расположенного с первичной стороны трансформатора ответвления обмотки и переключателя ступеней обмоток трансформатора. В более дорогих источниках питания установка тока происходит в выпрямительной части с помощью управляемых вентилей (тиристоров). Некоторые аппараты сварки MIG/MAG оснащаются инверторами в качестве источников питания.

Качество сварки MIG/MAG в значительной мере зависит от правильности выбора режимов работы сварочного аппарата (напряжение дуги, ток – скорость подачи проволоки, скорость сварки), а также от правильности выбора и расхода защитного газа (скорость подачи газа через сопло). Для регулировки расхода защитного газа целесообразно использовать редукторы с расходомерами поплавкового вида.

В устройстве подачи проволоки проволочный электрод с помощью подающих роликов подается к месту сварки в соответствии со скоростью его расплавления. При этом электрод вытягивается с катушки и проводится по пакету шлангов, на конце которого расположена горелка. Для этого перед подающими роликами расположен направляющий мундштук, приводящий проволоку в нужное положение, а позади роликов, в начале пакета шлангов, – приемный мундштук для проволоки. Установки механизированной сварки оснащаются еще и промежуточным направляющим устройством, устраняющим предварительный изгиб проволоки, возникающий вследствие наматывания ее на катушку.

Подающие ролики приводятся в движение электродвигателем постоянного тока с плавно регулируемой установкой скорости вращения. В современных устройствах для регулируемой сварки скорость подачи проволоки измеряется тахометром и регулируется вне зависимости от нагрузки. При сварке MIG/MAG скорость подачи проволоки, как правило, составляет от 2 до 20 м/мин, а в высокопроизводительных аппаратах и больше.

В пакет шлангов входят все необходимые виды проводки, т. е. электропроводка, шланг для подачи защитного газа, шланг подачи проволоки, управляющая линия, а у устройств, рассчитанных на высокие значения силы тока, – также подача и отвод охлаждающей жидкости. У аппаратов с водяным охлаждением электропроводка находится в линии рециркуляции воды. Поэтому сечение проводки может быть меньше, чем в аппаратах без охлаждения, а пакет шлангов становится более гибким.

Шланг подачи проволоки при сварке нелегированных и низколегированных сталей представляет собой стальную спираль. При использовании проволочных электродов из хромоникелевой стали или из алюминия и других металлов для подачи используется шланг из износостойкого синтетического материала (например, тефлона) с лучшим коэффициентом трения, чем у стали.

Благодаря линии управления управляющие сигналы передаются от горелки к системе управления. Для этого на держателе горелки находится переключатель, с помощью которого можно управлять необходимыми при сварке функциями. Например, включать низкую скорость подачи проволочного электрода при зажигании и настройку времени затухания дуги при завершении сварки. Благодаря настраиваемой низкой скорости подачи проволочного электрода при зажигании процесс зажигания становится надежнее, так как еще слабо горящая дуга на холодном изделии не тушится быстро подаваемой проволокой.

Настраиваемое время затухания, т. е. отключение подачи проволоки чуть раньше, чем сварочного тока, предотвращает пригорание электрода в кратере в конце шва. Другая программа предотвращает образование слишком большой капли на конце проволоки при окончании сварки, которая могла бы помешать при новом зажигании. Есть возможность плавного пуска тока в начале и соответствующего понижения тока при окончании сварки.

На конце пакета шлангов находится сварочная горелка. Горелки выпускаются нескольких типов. Чаще всего применяют S-образные горелки (рис. 38). Они обладают небольшим весом, благодаря чему обеспечивается очень хороший доступ дуги к месту сварки. Вместо такой горелки можно приобрести горелку для скоростной сварки или сварочный пистолет (двухтактную горелку). Для цифровой сварочной установки производятся специальные горелки с жидкокристаллическим дисплеем и дистанционным регулятором, при работе с которыми можно считывать параметры сварочного процесса с дисплея и регулировать их с горелки. Бывают и горелки, непосредственно на которых расположена мини-катушка для очень мягкой и тонкой проволоки. Двигатель подачи проволоки у таких горелок находится в держателе.

Рис. 38. Горелка для сварки MIG/MAG:

а – общий вид S-образной горелки; б – сечение пакета шлангов; в – сечение головки; 1 – пакет шлангов; 2 – рукоятка; 3 – кнопка «Пуск»; 4 – гусак; 5 – сопло; 6 – сварочная проволока; 7 – спираль; 8 – силовой кабель; 9 – кабель управления; 10 – газовый шланг; 11 – изолятор; 12 – внешний диффузор; 13 – внутренний диффузор; 14 – защитный газ; 15 – наконечник

Варианты дуги

В зависимости от установленных сварочных параметров и используемого защитного газа при сварке MIG/MAG устанавливаются различные формы переноса электродного металла, называемые также рабочими состояниями дуги. При этом значение имеют как физические явления, такие как поверхностное натяжение и вязкость металла, сила тяготения и плазмоток, так и электрические силы, например сила Лоренца. Лоренцева сила, называемая также пинч-эффектом[18], – это сила, зависящая от окружающего магнитного поля и направленная радиально внутрь (рис. 39). Она сужает расплавленный конец электрода и отрывает от него отдельные капли.

Короткая дуга. Короткая дуга появляется при низких силах тока и напряжениях дуги. Ее название означает не только то, что речь идет об очень короткой дуге, но и то, что при такой дуге происходит перенос металла особого рода. Под влиянием тепла дуги на конце электрода образуется маленькая капля, которая уже в скором времени входит в контакт со сварочной ванной из-за небольшой длины дуги. Возникает короткое замыкание, и дуга гаснет. Капля всасывается сварочной ванной с конца электрода вследствие воздействия поверхностного натяжения ванны, пинч-эффект не оказывает существенного влияния на отделение капли из-за небольшой силы тока. Затем дуга снова загорается. Этот процесс регулярно повторяется, в зависимости от используемого защитного газа, примерно 20–100 раз в секунду. Во время фазы короткого замыкания ток возрастает, однако из-за небольших размеров капли эта фаза длится очень недолго, и пики тока оказываются не очень высокими. Кроме того, скорость возрастания тока в обычных источниках ограничивается дроссельными катушками в сварочном контуре. Поэтому повторное зажигание дуги после короткого замыкания происходит плавно и без сильного брызгообразования. В инверторах избыточное возрастание тока предотвращается программным обеспечением источника питания. Такой процесс происходит во всех защитных газах и в особенности подходит для сваривания корневых слоев, тонких листов и для сварки в стесненных условиях.

Рис. 39. Схематическое изображение действия пинч-эффекта:

1 – электрод; 2 – формирование капли металла

Длинная дуга. Длинная дуга возникает в верхней части диапазона мощности (т. е. при высоких силах тока и напряжения), когда сварка ведется в среде диоксида углерода или в среде защитных газов с высоким содержанием углекислоты (≥ 25 %). В этом случае образование дуги на конце электрода очень ограничено, пинч-эффект проявляется очень слабо или не проявляется совсем. На конце электрода образуются крупные капли, переходящие в изделие в основном под влиянием силы тяжести. При этом между каплей и сварочной ванной зачастую образуются закорачивающие перемычки, по которым в сварочную ванну переходит материал присадки. В отдельных случаях встречается и свободный переход очень крупных капель. Короткие замыкания длятся в этом случае дольше из-за большой массы капель. Вследствие этого возникают очень высокие токи замыкания, ведущие к сильному брызгообразованию при повторном зажигании дуги, сварочная ванна большая и горячая. Поэтому этот процесс пригоден только для сварки в позициях РА и РВ (в нижнем положении и для горизонтального шва на вертикальной плоскости). Сварка в стесненных условиях невозможна.

Капельная дуга. В среде аргона и смесей с высоким содержанием аргона дуга при образовании капли окутывает весь конец электрода, поэтому при достаточной силе тока пинч-эффект может проявиться оптимально. Переход материала происходит без короткого замыкания и значительного образования брызг. Капельная дуга появляется в среде богатых аргоном газов в верхнем диапазоне мощности. Образуется большая и горячая сварочная ванна, поэтому с некоторыми ограничениями этот процесс допустим для сварки в стесненном положении.

Смешанная дуга. Между короткой дугой, с одной стороны, и капельной и длинной дугами, с другой стороны, можно поместить смешанную дугу, при которой переход материала происходит как в коротком замыкании, так и в свободном падении. Однако в этой части диапазона возникает сильное брызгообразование, в том числе в среде богатых аргоном смесей. Поэтому рекомендуется избегать средней части диапазона силы тока либо использовать в ней импульсную дугу.

Импульсная дуга. Импульсная дуга появляется, если для сварки вместо постоянного тока используется импульсный ток. Регулируемыми параметрами этого вида дуги, помимо скорости подачи проволоки, являются, в зависимости от модуляции источника тока, основной ток и основное напряжение, импульсный ток и импульсное напряжение, длительность и частота импульсов. Под воздействием пинч-эффекта от конца электрода в каждой импульсной фазе отделяется по одной капле. Сварочный процесс характеризуется образованием маленьких капель и незначительным брызгообразованием. При жестко заданных значениях основного тока (напряжения), импульсного тока (напряжения) и длительности импульса можно установить мощность с помощью подачи проволоки и регулировать длину дуги с помощью изменения частоты импульсов. Импульсная дуга появляется во всем диапазоне мощности и хорошо подходит для сварки в стесненных условиях при низких и средних значениях силы тока.

Применяемые материалы

Защитные газы. При сварке MIG/MAG используют чистые инертные и активные газы, смеси газов в различных сочетаниях: инертные + инертные, инертные + активные и активные + активные (табл. 21). Водород при сварке плавящимся электродом не применяется из-за высокого разбрызгивания. Активный газ двуокись углерода (СО₂) регламентируется ГОСТ 8050–85, кислород газообразный (О₂) – ГОСТ 5583–78. Расчет расхода защитного газа Нг в литрах или кубических метрах на 1 м шва для малого производства производится по следующей формуле:

Н_г = (Н_уг × Т + Н_дг),

где Н_г – удельный расход защитного газа, приведенный в табл. 22, м³/с (л/мин);

Т – основное время сварки n-го прохода, с (мин);

Н_дг – дополнительный расход защитного газа на выполнение подготовительно-заключительных операций при сварке n-го прохода.

При MIG-сварке алюминия плавящимся электродом в инертном газе устанавливаются несколько бо́льшие значения расхода газа из-за высокой окисляемости материала; при смесях аргона и гелия – значительно бо́льшие вследствие невысокой плотности гелия.

Присадочно-электродный материал. Наиболее часто используемые диаметры электродов для сварки MIG/MAG составляют 0,8; 1,0; 1,2 и 1,6 мм. Диаметры порошковых проволок начинаются чаще всего от 1,0 мм. Нелегированные и низколегированные проволочные электроды применяются, как правило, в исполнении с омедненной поверхностью. Благодаря меднению снижается сопротивление трения скольжения при подаче и улучшается электрический контакт.

Высоколегированные проволоки нельзя покрывать медью гальваническим или электролитическим способом, и они поставляются с белой поверхностью без покрытия. Сварные проволоки из алюминия также применяются с поверхностью без покрытия. Проволочные сварочные присадки для сварки в среде защитного газа поставляются на катушках с воротом, оправкой либо на корзиночных катушках.

При сварке в углекислом газе малоуглеродистых и низкоуглеродистых сталей необходимо применять кремний-марганцовистые проволоки, а для сварки легированных сталей – специальные проволоки (табл. 23).

По ГОСТ 2246–70 предусматривается изготовление 75 марок сварочных проволок, в том числе и для сварки в защитных газах, диаметром от 0,3 до 12,0 мм. Средне– и сильноокислительные газы группы М2 и МЗ (Аг ++ СО₂, Аг + О₂, Аr + СО₂ + О) и С (СО, СО₂ + О₂) применяются в сочетании с проволоками, содержащими раскислители Mn, Si, Al, Ti и др. (например, Св-08Г2С, Св-08ГСМТ, Св-08ХГ2С).

Порошковые проволоки применяются для сварки без защиты и с дополнительной защитой зоны сварки углекислым газом. По типу сердечника порошковые проволоки можно разделить:

1) на самозащитные: рутил-органические, карбонатно-флюоритные, флюоритные;

2) газозащитные: рутиловые, рутил-флюоритные.

Применение порошковых проволок вместо сплошных позволяет легировать шов в широких пределах и повышать стойкость его против пор и горячих трещин, обеспечивать заданные механические свойства. Кроме того, наличие шлака снижает разбрызгивание, набрызгивание и улучшает форму шва.

У сварки полуавтоматом масса достоинств, одним из которых является возможность проведения работ без защитного газа. При этом типе сварки не нужно покупать баллоны с газом, а порошковая проволока имеется в широком ассортименте. В зависимости от ее состава можно сформировать необходимый шов и организовать оптимальный режим горения дуги. Как и при сваривании алюминия, в этом случае применяется обратная полярность. Это нужно для повышения температуры сварочной дуги и расплавления флюса.

Выполнение сварки

Подготовка металлапод MIG/MAG сварку. Чтобы в наплавленном металле не было пор, кромки сварных соединений необходимо зачищать от ржавчины, грязи, масла и влаги на ширину до 30 мм по обе стороны от зазора. В зависимости от степени загрязнения зачищать кромки можно протиркой ветошью, зачисткой стальной щеткой, опескоструиванием, а также обезжириванием с последующим травлением. Следует заметить, что окалина почти не влияет на качество сварного шва, поэтому детали после газовой резки могут свариваться сразу после зачистки шлака.

Кромки под сварку разделывают в соответствии с технологическими требованиями.

Зажигание электрической дуги. После включения переключателя горелки проволочный электрод приходит в движение с установленной скоростью. Одновременно к нему подключается электрический ток и начинается подача защитного газа. При прикосновении к поверхности изделия возникает короткое замыкание. Из-за высокой плотности тока на конце электрода в точке соприкосновения начинается испарение материала и происходит зажигание дуги. При высокой скорости подачи еще слабая дуга может быть потушена быстро подаваемой проволокой, так что зажигание произойдет только со второй или третьей попытки. Поэтому рекомендуется производить зажигание на сниженной скорости подачи и переключаться на требуемую высокую скорость только после того, как дуга начнет гореть стабильно. Современные сварочные аппараты MIG/MAG для облегчения зажигания имеют функцию «ползучая скорость».

Зажигание должно производиться только в пределах соединения и на тех местах, которые сразу после зажигания должны быть снова расплавлены. От непроваренных точек зажигания могут расходиться трещины из-за высокой скорости остывания этих локально нагретых мест.

Ведениегорелки. Горелка наклоняется на 10–20° в направлении сваривания и ведется волочащим или колющим движениями (рис. 40). Колющее движение горелки обычно используется при сварке массивной проволокой, волочащее – при использовании порошковой проволоки со шлакообразующим покрытием. Горелка ведется слегка волочащим движением и в позиции сверху вниз, как правило, при сваривании тонких листов. У более толстых листов существует опасность, что из-за опережающего металла шва возникнут дефекты сцепления. Подобные дефекты могут возникнуть и при сварке в других положениях со слишком низкой скоростью. Поэтому следует избегать раскачивания горелки с широкой амплитудой, за исключением движения снизу вверх. Обычной формой маятникового движения является открытый треугольник. При слишком сильном наклоне горелки существует опасность всасывания воздуха в защитный газ.

Рис. 40. Положение горелки по отношению к основному материалу

Расстояние между горелкой и изделием должно быть таким, чтобы между свободным концом электрода (нижней кромкой токоподводящего мундштука) и точкой соприкосновения дуги и изделия оставалось примерно 10–12 диаметров проволоки.

Выбор режимов сварки в средеуглекислого газа. При сварке в углекислом газе обычно применяют постоянный ток обратной полярности, так как сварка током прямой полярности приводит к неустойчивому горению дуги. Переменный ток можно применять только с осциллятором, однако в большинстве случаев рекомендуется только постоянный ток.

Диаметр электродной проволоки следует выбирать в зависимости от толщины свариваемого металла. Сварочный ток устанавливается в зависимости от выбранного диаметра электродной проволоки. С увеличением силы тока увеличивается глубина провара и повышается производительность процесса сварки. Скорость подачи электродной проволоки подбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить устойчивое горение дуги при выбранном напряжении на ней.

Напряжение дуги зависит от длины дуги. Чем длиннее дуга, тем больше напряжение на ней. С увеличением напряжения дуги увеличивается ширина шва и уменьшается глубина его провара. Напряжение дуги автоматически устанавливается в зависимости от выбранной величины сварочного тока при данной длине.

Основные режимы сварки полуавтоматом приведены в табл. 24 и 25.

Необходимую для сварщика информацию о значениях тока и напряжения можно увидеть на измерительных приборах, зачастую встроенных в аппараты. Если таковые не установлены, измерения можно производить с помощью внешних приборов либо сварщик должен ориентироваться на указанные в справочных таблицах скорости подачи проволоки. Тогда он должен настраивать правильную длину дуги, ориентируясь на то, что он видит и слышит.

На устойчивость процесса сварки и качества сварного шва большое влияние оказывает величина вылета. Вылетом электрода называется длина отрезка электрода между его концом и краем мундштука. С увеличением вылета ухудшается устойчивость горения дуги и формирования шва, а также увеличивается разбрызгивание. При сварке с очень малым вылетом затрудняется наблюдение за процессом сварки и часто подгорает контактный наконечник. Величину вылета рекомендуется выбирать в зависимости от диаметра электродной проволоки.

Кроме вылета электрода, необходимо выдерживать определенное расстояние от сопла горелки до изделия, так как с увеличением этого расстояния возможно попадание кислорода и азота из воздуха в наплавленный металл и образование пор в шве. Величину расстояния от сопла горелки до изделия следует выдерживать в значениях, приведенных в табл. 26.

Расход углекислого газа определяют в зависимости от силы тока, скорости сварки, типа соединения и вылета электрода. В среднем газа расходуется от 5 до 20 л/мин. Наклон электрода относительно шва оказывает большое влияние на глубину провара и качество шва. В зависимости от угла наклона сварку можно производить углом назад и углом вперед.

При сварке углом назад в пределах 5–10° улучшается видимость зоны сварки, повышается глубина провара и наплавленный металл получается более плотным. При сварке углом вперед труднее наблюдать за формированием шва, но легче наблюдать за свариваемыми кромками и направлять электрод точно по зазорам. Ширина валика при этом возрастает, а глубина провара уменьшается. Этот способ рекомендуется применять при сварке тонкого металла, где существует опасность сквозного прожога.

Скорость сварки устанавливается самим сварщиком в зависимости от толщины металла и необходимой площади поперечного сечения шва. При слишком большой скорости сварки конец электрода может выйти из-под зоны защиты газом и окислиться на воздухе.

Окончание сварки. Нельзя резко тушить дугу в конце шва или убирать горелку от конечного кратера. В первую очередь при сваривании толстых листов, где в наплавленных валиках большого объема могут возникнуть глубокие кратеры, рекомендуется медленно отводить дугу от ванны или, если позволяет аппаратура, задать программу заполнения конечного кратера. У большинства полуавтоматов можно задать также определенное время, в течение которого подача газа еще будет продолжаться, чтобы последний жидкий металл шва застывал в среде защитного газа. Но это будет действовать только в том случае, если горелка еще некоторое время будет находиться в конце шва.

Подготовка кромок

Вид подготовки кромок зависит от толщины свариваемых деталей. При толщине листового металла 0,5–2 мм подготовка сводится к торцеванию или отбортовке кромок. Сварку осуществляют встык без присадочного материала – только за счет расплавления кромок.

При толщине 1–5 мм отторцованные без скоса кромки собирают с зазором 0,5–2,0 мм и сварку проводят с использованием присадки. При толщине металла 4–8 мм можно проводить сварку без скоса кромок, но при этом зазор увеличивается до 1–2 мм и шов должен быть двусторонним.

При толщине металла 5–10 мм выполняют V-образную разделку кромок (70–90°). Зазор под заполнение присадочным материалом составляет от 2 до 4 мм, притупление кромок 1,5–3,0 миллиметра.

Для металла толщиной свыше 10 мм применяют двухстороннюю (Х-образную) разделку со скосом кромок под углом 35–45°. Зазор может быть в пределах 2–4 мм, таким же по величине делают и притупление.

Перед сборкой область шириной 20–30 мм, расположенная вблизи свариваемых кромок, должна быть очищена от ржавчины, грязи, краски и окалины.

При выполнении угловых швов зазор между кромками свариваемых деталей устанавливается 1–2 мм. При толщине свариваемого металла более 5–6 мм производится одно– или двухсторонний скос кромок под углом 50–60°.

Способы и техника сварки

Основными параметрами газовой сварки являются вид и мощность пламени, диаметр присадочной проволоки и скорость сварки.

Вид пламени зависит от свариваемого материала: нормальным пламенем сваривают углеродистые и легированные стали, науглероживающим – чугун, окислительным – латуни. Выбор нужного вида пламени осуществляется по характеру его свечения.

Для выполнения сварочных работ необходимо, чтобы сварочное пламя обладало достаточной мощностью, которая определяется количеством ацетилена, проходящего за 1 час через горелку, и регулируется наконечниками горелки. Мощность пламени горелки, выбираемая в соответствии с толщиной свариваемого металла и его теплофизическими свойствами, определяется расходом ацетилена, необходимым для его расплавления. Чем толще свариваемый металл и выше его теплопроводность (как, например, у меди и ее сплавов), тем больше должна быть мощность пламени. Ее регулируют ступенчато – подбором наконечника горелки и плавно – вентилями на горелке.

Для сварки низкоуглеродистой стали на 1 мм толщины свариваемого металла требуется 100–130 дм³ ацетилена в час. При сварке низкоуглеродистой стали толщиной 3 мм минимальная мощность сварочной горелки составит 100 × 3 = 300 дм³/ч, максимальная – 130 × 3 = 390 дм³/ч.

Диаметр присадочной проволоки (dп) выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла (S) и способа сварки. При сварке низко– и среднеуглеродистых сталей левым способом dп = S/2 + 1 (мм). При сварке правым способом dп = S/2 (мм).

Скорость сварки устанавливается сварщиком в соответствии со скоростью плавления кромок детали. Этот параметр непосредственно зависит от мастерства сварщика.

При газовой сварке составными элементами техники сварки являются:

● угол наклона мундштука горелки к поверхности свариваемых кромок;

● способ сварки;

● манипуляции мундштуком горелки и присадочной проволокой при движении пламени вдоль шва.

Скорость плавления (и соответственно скорость сварки) регулируют изменением угла наклона мундштука к поверхности свариваемого металла (рис. 41). Угол выбирают в зависимости от толщины и рода свариваемого металла. Чем толще металл и больше его теплопроводность, тем больше угол наклона мундштука горелки к поверхности свариваемого металла. Так, при сварке меди угол должен быть бóльшим, чем для углеродистых сталей. В начале сварки для лучшего прогрева металла угол наклона устанавливают около 90°, затем по мере прогрева свариваемого металла снижают до величины, соответствующей толщине металла, а в конце сварки постепенно уменьшают, чтобы лучше заполнить кратер и предотвратить пережог металла.

Рис. 41. Угол наклона мундштука горелки в зависимости от толщины металла

Способы сварки проиллюстрированы рис. 42, а – б. Сварочную горелку держат в правой руке, а присадочную проволоку – в левой. Пламя горелки направляют на металл так, чтобы свариваемые кромки находились в восстановительной зоне на расстоянии 2–6 мм от конца ядра. Сварочную проволоку располагают под углом около 45° в сторону, противоположную наклону мундштука горелки. Конец присадочной проволоки должен находиться в восстановительной зоне или в сварочной ванне.

Рукоятка горелки может располагаться вдоль оси шва или перпендикулярно к ней. То или иное положение выбирается в зависимости от условий и удобства работы газосварщика: его руку не должен обжигать нагретый металл.

Горелка в руке сварщика может перемещаться в двух направлениях:

● справа налево, когда пламя направлено на холодные, еще не сваренные кромки металла, а присадочная проволока подается впереди пламени. Такой способ получил название левого и применяется при сварке тонкостенных (толщиной до 3 мм) конструкций и легкоплавких металлов и сплавов;

● слева направо, когда пламя направлено на сваренный участок шва, а присадочная проволока подается вслед за пламенем. Такой способ называется правым и используется для сварки конструкций с толщиной стенки свыше 3 мм и металлов с большой теплопроводностью. Качество шва при правом способе сварки выше, чем при левом, так как металл лучше защищен пламенем горелки от воздействия воздуха.

Рис. 42. Техника сварки:

а – левый способ; б – правый способ (сплошной линией показано движение горелки; пунктирной – движение присадочной проволоки; стрелками указано направление сварки); в – манипуляции мундштуком горелки при сварке: I – восьмеркой; II – по спирали; III – полумесяцем; IV – прямолинейно

В процессе сварки конец мундштука горелки совершает одновременно два движения: поперечное – перпендикулярно к оси шва и продольное – вдоль оси шва. Основным является продольное движение, поперечное служит для равномерного прогрева кромок основного и присадочного металла и получения шва необходимой ширины.

Присадочной проволокой можно совершать такие же колебательные движения, но в направлениях, противоположных движениям конца мундштука горелки. Конец присадочной проволоки не рекомендуется извлекать из сварочной ванны и особенно из восстановительной зоны пламени.

Вид движений, совершаемых мундштуком и проволокой, зависит от положения шва в пространстве, толщины свариваемого металла, рода металла и требуемых размеров сварного шва (рис. 42, в). Так, для сварки швов в нижнем положении наиболее распространено движение полумесяцем; при сварке металла средней толщины – по спирали; при толщине металла более 8 мм – зизгагообразное. При сварке угловых швов пламя и конец присадочной проволоки перемещают с большей задержкой по краям шва. Тонкий металл сваривают прямолинейным движением без поперечных колебаний горелки.

Сварка в различных пространственных положениях

Сварка в нижнем положении. Нижние швы выполнять наиболее легко, так как расплавленный присадочный металл не вытекает из сварочной ванны. Кроме того, за сваркой такого шва удобно наблюдать.

В расплавленную ванну вводят конец проволоки и расплавляют небольшое ее количество, после чего перемещают в восстановительную зону пламени. Мундштуком совершают круговые движения и перемещают его для образования новой ванночки, которая должна перекрывать предыдущую на ⅓ диаметра. После расплавления новой ванны в нее погружают конец проволоки и повторяют процедуру.

Нижние швы выполняют как левым, так и правым способом в зависимости от толщины свариваемого металла. Тонкие пластины с отбортовкой кромок сваривают левым способом. Шов формируют без присадочного материала, за счет расплавления основного металла (рис. 43, а).

Сварка нахлесточныхшвов. Шов накладывают левым способом с присадочным материалом (рис. 43, б). При вынужденных перерывах в работе перед возобновлением процесса сварки нужно переплавить закристаллизовавшийся в кратере металл. Вообще, для получения нахлесточных швов рациональнее использовать дуговую сварку, а газовая применяется только при крайней необходимости (за исключением сварки свинца) из-за коробления соединяемых листов.

Сварка в вертикальном положении. Вертикальные швы при малой толщине металла сваривают сверху вниз правым способом (рис. 43, в) и снизу вверх правым или левым способом (рис. 43, г – д). Сварка тонколистового металла толщиной не более 4–5 мм производится снизу вверх – левым способом. Горелку перемещают таким способом, чтобы не дать стечь расплавленному металлу, и давлением газов пламени поддерживают в зазоре ванночку металла. Сварка сверху вниз правым способом требует большой сноровки – металл удерживают от стекания концом присадочной проволоки, погруженной в ванну.

При сварке металла толщиной от 2 до 20 мм вертикальные швы целесообразно выполнять способом двойного валика (рис. 43, е). В этом случае скоса кромок не делают и свариваемые детали устанавливают с зазором, равным половине толщины свариваемого металла. Процесс ведется снизу вверх.

Рис. 43. Выполнение сварных швов в разных пространственных положениях:

а – нижнем для тонкого металла с отбортовкой кромок; б – нахлесточных; в – вертикальных сверху вниз правым способом; г, д – вертикальных снизу вверх левым и правым способами; е – вертикальных двойным валиком; ж – горизонтальных; з, и – потолочных левым и правым способами

При толщине металла более 6 мм сварку таким способом выполняют два сварщика одновременно с противоположных сторон. В нижней части стыка проплавляют сквозное отверстие. Пламя, постепенно поднимаясь снизу вверх, оплавляет верхнюю часть отверстия. Шов формируют на всю толщину, а выпуклость получается с обеих сторон стыка. Затем перемещают пламя выше, оплавляя верхнюю кромку отверстия и накладывая следующий слой металла на нижнюю сторону отверстия. Процесс продолжают до полного получения шва.

Горизонтальные швы навертикальной плоскости, при сварке которых металл может стекать на нижнюю кромку, выполняют правым способом, держа конец проволоки сверху, а мундштук горелки снизу ванны (рис. 43, ж). Сварочная ванна располагается под небольшим углом к оси шва, что облегчает формирование шва и предотвращает стекание жидкого металла.

Сварка в потолочном положении. Наибольшие трудности возникают при сварке потолочных швов. Кромки нагревают до начала оплавления и в этот момент в сварочную ванну вводят присадочную проволоку, конец которой быстро оплавляется (рис. 43, з, и).

Металл сварочной ванны удерживается от стекания вниз давлением газов пламени. Сварку лучше вести правым способом и выполнять в несколько слоев с минимальной толщиной каждого слоя. Присадочный пруток следует держать полого во избежание стекания по нему жидкого металла.

Процесс кислородной резки металлов основан на способности металла сгорать в струе технически чистого кислорода и удалении этой струей образующихся продуктов горения.

Резка начинается с нагрева металла в начале реза подогревающим пламенем резака до температуры воспламенения металла в струе кислорода. Металл сгорает с выделением тепла, которое передается через образовавшийся шлак нижележащим слоям; происходит сгорание металла по всей толщине разрезаемого листа с образованием узкой щели (реза). Образующиеся в процессе резки окислы и шлаки удаляются из реза струей кислорода, а также под действием силы собственного веса.

Различают поверхностную (срезается поверхностный слой металла), разделительную (металл разрезается на части) и копьевую (в металле прожигается глубокое отверстие) кислородную резку.

По характеру применяемого подогрева резка подразделяется на кислородную, кислородно-флюсовую, кислородно-дуговую, плазменно-кислородную и другие виды.

Сущность процесса кислородной резки

Кислородная резка металлов возможна благодаря тому, что малоуглеродистая сталь, нагретая до температуры, близкой к температуре плавления (1300–1400 °C), способна интенсивно сгорать в струе технически чистого кислорода. При кислородной резке для нагревания металла применяется такое же пламя, как и при сварке. Сначала нагревают небольшой участок металла, намеченный линией разреза, а затем на нагретое место направляют струю кислорода, перемещая одновременно подогревательное пламя дальше по линии разреза. Металл сгорает в струе кислорода, и по всей толщине разрезаемого металла образуется узкая щель. Соседние участки металла нагреваются сравнительно мало.

При сгорании металла образуются жидкие шлаки, которые выдуваются струей кислорода. При перемещении подогревательного пламени и струи кислорода по размеченной линии процесс резки происходит непрерывно. Кислородная резка проста, не требует сложного оборудования и поэтому имеет широкое применение при сборке санитарно-технических деталей.

Для сгорания 1 кг железа теоретически требуется от 0,29 до 0,38 м³ кислорода в зависимости от того, какой окисел получается при горении – FeO или Fе₃О₄. Практический расход кислорода может сильно отличаться от теоретического, так как в шлаках присутствуют оба окисла в различных соотношениях, часть металла удаляется из разреза в расплавленном состоянии, часть кислорода расходуется на выдувание жидкого металла и шлаков, а также теряется в окружающую среду. Для резки применяют технический кислород чистотой 98,8–99,7 %. С понижением чистоты кислорода на 1 % его расход на 1 м длины резки возрастает на 25–35 %, а время резки – на 10–15 %. Это особенно заметно при резке стали больших толщин. Применять для резки кислород чистотой ниже 98 % нецелесообразно, так как поверхность реза получается недостаточно чистой, с глубокими рисками и трудноотделяемым шлаком.

Для резки металла кислородом необходимы следующие условия:

● температура горения металла в кислороде должна быть ниже температуры плавления, иначе металл будет плавиться и переходить в жидкое состояние до того, как начнется его горение в кислороде;

● образующиеся окислы металла должны плавиться при температуре более низкой, чем температура горения металла, и не быть слишком вязкими; в противном случае кислородная резка без применения специальных флюсов невозможна;

● количество тепла, выделяющееся при сгорании металла в кислороде, должно быть достаточно большим, чтобы обеспечить поддержание процесса резки. При резке стали около 70 % тепла, используемого для подогревания, выделяется при сгорании металла в кислороде и только 30 % подводится от подогревающего пламени;

● теплопроводность металла не должна быть слишком высокой, иначе, вследствие интенсивного теплоотвода, процесс резки может прерваться.

Перечисленным выше условиям наиболее полно отвечают чистое железо, низко– и среднеуглеродистые, а также низколегированные стали при содержании углерода до 0,3 %.

На температуру загорания, кроме состава металла, оказывает влияние также состояние поверхности металла, величина его кусков, давление и скорость потока кислорода. Шероховатая поверхность облегчает загорание металла в кислороде. Порошок железа может воспламеняться в чистом кислороде при температуре 315 °C, т. е. значительно более низкой, чем прокатанный металл. Металл на поверхности крупного куска стали загорается при температуре 1200–1300 °C. При давлении 25 кгс/см² и скорости потока кислорода 180 м/с температура загорания углеродистой стали в кислороде снижается до 700–750 °C.

Среднеуглеродистые стали (углерод до 0,7 %) режутся хуже. Резка высокоуглеродистых сталей вообще проблематична, а при содержании углерода более 1 % вообще невозможна без специальных флюсов.

Высоколегированные стали тоже не поддаются кислородной резке. Возможна только кислородно-флюсовая резка с применением специальных флюсов или плазменно-дуговая (с применением специального оборудования). Плазменно-дуговая резка применяется и для разделки алюминия и его сплавов, для которых кислородная резка исключена. Чугун не режется вследствие низкой температуры плавления и высокой температуры начала горения. Цветные металлы также не поддаются кислородной резке из-за высокой температуры плавления их оксидов и значительной теплопроводности.

Режимы резки

Основные показатели режима резки – это давление режущего кислорода и скорость резки, которые определяются толщиной разрезаемой стали. Величина давления кислорода зависит от конструкции резака, применяемых мундштуков, величины сопротивлений в кислородоподводящих коммуникациях и арматуре. На скорость резки влияют также: метод резки (ручной или машинный); форма линии реза (прямолинейная или фасонная); вид резки (разделочная, заготовительная с припуском на механическую обработку, заготовительная под сварку, чистовая).

Кислородную резку производят резаком, представляющим собой специальную сварочную горелку с дополнительным устройством для подвода к соплу кислорода. Резаки классифицируют по следующим признакам:

● вид резки – разделительная, поверхностная, кислородно-флюсовая;

● назначение – для ручной резки, механизированной резки, специальные;

● род горючего – для ацетилена, газов-заменителей, жидких горючих (пары бензина, керосина);

● принцип действия – инжекторные, безынжекторные;

● давление кислорода – высокого, низкого;

● конструкция мундштуков – щелевые, многосопловые.

Наибольшее применение имеют универсальные инжекторные ручные резаки со щелевыми мундштуками (см. рис. 22, е). Резак состоит из рукоятки, газоподводящих трубок, корпуса с вентилями и головки, в которую ввертываются мундштуки. Применяют два основных типа мундштуков: с кольцевым подогревательным пламенем, или щелевые, и многосопловые. Щелевые мундштуки состоят из внутреннего и наружного мундштуков, которые ввертываются на резьбе в головку резака или присоединяются к ней накидной гайкой. По кольцевому зазору между наружным и внутренним мундштуками поступает горючая смесь подогревательного пламени. По центральному каналу внутреннего мундштука подается струя кислорода, в которой сгорает разрезаемый металл.

Многосопловые мундштуки хорошо работают при высоких температурах и не дают обратных ударов пламени даже при сильном нагревании, но более трудоемки в изготовлении и потому стоят дороже.

Ориентировочные режимы ручной резки приводятся в табл. 27, а рекомендации по выбору мундштуков для резки на заменителях ацетилена – в табл. 28. Точнее режимы выбирают согласно технической документации на конкретный резак. Скорость ручной резки можно также приближенно определять по формуле:

v_св = 40 000/(50 + S) мм/мин,

где S – толщина разрезаемой стали, мм.

Техника ручной резки металла

Разрезаемый лист укладывают на подкладки, выверяют по горизонтали и, если нужно, закрепляют. Затем лист по линии реза очищают от окалины, ржавчины, грязи, которые уменьшают точность и ухудшают качество реза. Лист размечают, нанося на нем мелом или чертилками контуры вырезаемых деталей. Подбирают номера наружного и внутреннего мундштуков.

Резку обычно начинают с кромки листа. Если же нужно начать с середины листа (например, при вырезке фланцев), то сначала в листе прожигают кислородом отверстие, а затем вырезают нужную фигуру. Нагревают металл в месте, откуда ведут резку, а затем пускают режущую струю кислорода. Вслед за этим начинают перемещать резак по намеченной линии реза, прожигая металл на всю толщину. Если резку начинают с кромки, время начального подогрева металла толщиной 5–200 мм составляет от 3 до 10 с (при работе на ацетилене). При пробивке отверстия в листе струей кислорода это время увеличивается в 3–4 раза.

Резак следует перемещать равномерно. Если двигать его слишком быстро, то соседние участки металла не будут успевать нагреваться, кислородная струя будет отставать, образуются не прорезанные до конца участки и нарушится непрерывность резки. При слишком медленном перемещении резака кромки будут оплавляться и разрез получится неровным, с большим количеством шлака. О скорости резки можно судить по выбросу шлака (рис. 44).

Рис. 44. Характер выброса шлака:

а – скорость резки мала; б – оптимальная скорость; в – скорость резки велика

Мощность подогревающего пламени определяется условиями резки и должна увеличиваться с увеличением толщины металла. Для легированных сталей, а также при увеличении скорости резки мощность пламени должна быть больше, чем для низколегированных сталей и небольшой скорости резки. Но слишком увеличивать мощность подогревающего пламени тоже не следует, так как это ведет к излишнему расходу газов и оплавлению верхних кромок реза.

Состав подогревающего пламени тоже важен. При резке стали больших толщин подогревающее пламя следует регулировать с максимальным избытком горючего газа в смеси; это увеличивает длину факела и способствует прогреву металла на всю толщину.

Большое значение для резки имеет давление режущего кислорода. При недостаточном давлении струя кислорода не сможет выдуть шлаки из места реза и металл не будет прорезан на всю толщину. При слишком большом давлении увеличивается расход кислорода, а разрез получается менее чистым. Давление кислорода зависит от толщины разрезаемого металла, и его подбирают согласно документации на газовый резак (см. табл. 27).

При разрезании металла большой толщины или пакета листов торец металла в плоскости реза нужно хорошо подогреть, особенно в нижней части. Концентрация кислорода в режущей струе уменьшается по мере удаления от верхней кромки разрезаемого металла. Поэтому при резке металла толщиной свыше 300 мм очень важно увеличить ту длину струи, на протяжении которой концентрация кислорода остается высокой. Этому способствует оболочка из подогревающего пламени, факел которого окружает режущую струю и как бы сжимает ее. Чем длиннее этот факел, тем длиннее участок струи с высокой концентрацией кислорода и тем бóльшую толщину металла режет такая струя. Удлинение факела зависит от увеличения часового расхода горючего. Наибольшая длина режущей способности струи получается при расходе кислорода 80 м³/ч и ацетилена – 8 м³/ч.

В любом случае для обеспечения высокого качества реза расстояние между мундштуком и поверхностью разрезаемого металла необходимо поддерживать постоянным (табл. 29). Для этого многие резаки комплектуются направляющими тележками.

По окончании резки поверхность металла очищают стальной щеткой от окалины и остатков шлака. Наплывы, образующиеся на нижней кромке металла, срубают зубилом.

Деформация металла при резке

Вследствие неравномерного нагрева металла при резке происходят деформации, которые могут вызывать искажение формы детали и отклонение ее размеров от заданных. Для уменьшения деформаций необходимо:

● жестко закреплять вырезаемые детали с помощью упоров, шпилек, струбцин, эксцентриковых или пневматических зажимов, клиньев и пр.;

● оставлять перемычки (непрорезанные участки) между соседними частями листа, из которых вырезаются детали;

● резать крупногабаритные детали одновременно несколькими резаками;

● мелкие детали вырезать не из целого листа, а из предварительно нарезанных прямоугольных заготовок (карт);

● отдельные участки контура детали резать в такой последовательности, при которой деформации действовали бы в противоположных направлениях и по возможности взаимно уничтожались.

Термитные способы сварки до настоящего времени не были широко распространены, хотя ученые и пытались создать эффективное сварочное средство, работающее без внешних источников энергии, с 30-х годов прошлого века. В результате изысканий появились на свет так называемые сварочные карандаши. Поначалу сварной шов, полученный с их использованием, получался непрочным (не более 5 % прочности шва при традиционных способах сварки) и легко разламывался руками. Но с недавних пор сварочные карандаши заняли достойное место среди ассортимента сварочного оборудования, позволяя производить пайкосварку деталей толщиной от 0,3 до 6 мм с прочностью 60–70 % традиционной сварки: от 40 до 60 кг/мм². Производят их и в России, и в Китае, мы же рассмотрим работу оборудования, произведенного в Украине.

Работа сварочным карандашом

Сварочный карандаш Лебедева ЭЛЬКАС позволяет автономно, без дополнительных источников энергии, без специального оборудования и без специальной квалификации выполнить следующие работы: сварка и резка деталей из железоуглеродистых сплавов (всех видов стали и чугуна независимо от сочетания деталей при сварке), меди и медных сплавов; закалка или разогрев деталей до температур ковки или другого вида формовки; быстрый прогрев различных объектов; жесткая пломбировка и другие виды работ. При работе карандашом не требуется определять тип стали или чугуна, так как принципиального значения это не имеет. Термитная смесь карандаша является источником энергии, с помощью которой металл свариваемой детали разогревается докрасна – до температуры начала образования сварного шва (1100 °C). С этого момента диффузия основного металла детали, флюсы и припои из сгорающей смеси карандаша образуют сплав – кремнистую бронзу, легированную никелем.

Базовая модель карандаша представляет собой картонную гильзу ∅ 4–16 мм и длиной 70–200 мм с уплотненной экзотермической смесью, с одной стороны залитую зажигательной смесью для поджига карандаша, с другой – 2 см пустой гильзы для вставки ручки (державки), необходимой для удобной и безопасной работы карандашом. Державка представляет собой деревянную или металлическую ручку-стержень длиной 15–20 см, один конец которой должен иметь диаметр, соответствующий внутреннему диаметру карандаша.

От размера карандаша зависит толщина свариваемых листов[19]. Самым тонким можно сварить внахлест металлические листы толщиной до 0,6 мм; при толщине карандаша 9–10 мм можно варить внахлест и встык детали до 2,5 мм толщиной, а 16-миллиметровый карандаш сварит листы толщиной 6 мм. При толщине металла свыше 2 мм рекомендуется пайкосварка встык с разделкой кромок, кромки не более ⅓ толщины заготовки под углом 45°. Сварка внахлест рекомендуется для толщин не более 3 мм. При толщине 3 мм подрезается одна кромка одной детали под углом 45°. Величина нахлеста не более 5 миллиметров.

Карандаш поджигается огнем нескольких одновременно горящих спичек или зажигалкой в течение 4–5 с. Смесь сварочного карандаша горит, развивая температуру до 1800 °C, и содержит все необходимые флюсы и припои для получения сварного соединения. Длина шва составляет 30–90 % от длины рабочей части карандаша, прочность шва – 30–35 кг/мм² (встык) или 40–50 кг/мм² (внахлест). Скорость горения карандаша составляет 5,2 мм/с, время горения 9–24 с (в зависимости от диаметра). Пламя короткое и без искр. Если же карандаш искрит и разбрызгивается, значит, он мокрый. Влажные карандаши можно просто подсушить при температуре 70° (на батарее или на солнце).

При наличии карандаша меньшего диаметра, чем нужно для сварки деталей определенной толщины, можно нагреть детали паяльной лампой или другим способом, чтобы энергия карандаша была использована не на разогрев деталей, а только на создание сварного соединения. Дополнительный нагрев желателен и при сварке деталей из чугуна.

Порядок работ. Места сварки на деталях следует очистить от краски и смазки. Причем ржавчина процессу сварки-пайки не мешает, что заметно сокращает время на подготовку деталей. Затем заготовки прижимают или закрепляют так, чтобы между ними не было зазора. Чем плотнее сжаты детали, тем прочнее и качественнее получится шов.

Теперь пора плотно вставить державку в полую часть карандаша, надеть темные очки (достаточно солнцезащитных) и брезентовые рукавицы.

Поджигают сварочный карандаш. В начале сварки-пайки горящий карандаш для прогрева металла выдерживают 3–5 с в месте начала шва на расстоянии 3–5 мм от поверхности. После прогрева, при появлении блестящей массы припоя, карандаш перемещают вдоль шва со скоростью 2–4 мм/с, совершая зигзагообразные движения поперек шва для прогрева деталей в месте планируемого соединения и удерживая карандаш под углом 90° к поверхности. Такое положение лучше концентрирует энергию в сварочной ванне. Наклон до 45°, применяемый при работе с электродами, сводит на нет возможности карандаша, приводя к непроизводительному рассеиванию его энергии.

После остывания деталей нужно отбить шлаки. Деталь можно резко остудить в воде или масле.

Термитная резка может осуществляться с помощью специальных карандашей ЭЛЬКАС-термит. Такой карандаш может разрезать стальные прутки диаметром до 22–25 мм и листовой материал толщиной до 6–8 мм. В более толстом листовом материале (10 мм и более) с помощью одного или нескольких карандашей можно прожечь отверстие, достаточное, например, для оказания экстренной помощи (подать шланг с воздухом и т. п.).

Карандаши для резки выпускаются диаметром 12, 14, 16 мм и длиной 150, 200, 250 мм (табл. 31). Длина разреза на листовом материале, в зависимости от толщины последнего, а также от диаметра и от длины карандаша, может колебаться от 1 м (для тонких металлов) до нескольких сантиметров (для предельных толщин по таблице). В среднем длина разреза составит 50 % длины карандаша.

Для резки металла горящий торец карандаша подносят к нужному месту на изделии. При разрезании прутка горящий торец держат на расстоянии 2–3 мм от поверхности, совершая им колебательные движения в пределах диаметра прутка. При резке листа техника резания несколько иная: горящий торец карандаша держат на расстоянии 2–3 мм от поверхности материала до образования в ней отверстия, после чего торец смещают на кромку отверстия и медленно продвигают карандаш, разрезая металл.

Карандаш, предназначенный для резки, можно применить и при сварке – в том случае, когда толщины сварочного карандаша недостаточно для соединения толстого металла. При этом следует учитывать, что в карандаше для резки значительно больше горючих веществ, чем флюсов и припоев, и припоя образуется значительно меньше. Если требуется заполнить объем сварочной ванны или раковину в детали, следует в область процесса (сварочную ванну) дополнительно вводить металл в виде, например, железной проволоки.

Любой паяльно-сварочный карандаш – одноразовый. Его нельзя потушить и использовать второй раз! Поэтому для коротких, точечных швов следует сразу выбирать короткие карандаши. Если вы закончили работу, а карандаш еще горит, необходимо дать ему прогореть до конца или локализовать горение карандаша в песке или в земле. Нельзя тушить карандаш водой, так как возможно разбрызгивание горящей смеси.

Самодельный сварочный карандаш

Возможно, вам не удалось вовремя купить сварочный карандаш и нет возможности использовать ни газовую сварку, ни электросварку. А сварить детали или исправить повреждение нужно срочно! В этом случае можно попробовать изготовить термитный карандаш самостоятельно.

Самодельный сварочный карандаш представляет собой отрезок проволоки из обычной углеродистой стали, на которую наносят термит, круто замешанный на клею. Клей лучше брать нитроцеллюлозный – он быстрее сохнет. Диаметр проволоки (2–5 мм) зависит от того, насколько массивными будут свариваемые детали: чем они массивнее, тем толще нужна проволока. В состав термита входят опилки алюминия (не силумина!) – 23 % (по массе) и порошок железной окалины – 77 %. Размер частиц алюминия и окалины должен быть около 0,5 мм. Тщательно перемешав компоненты, добавляют нитроцеллюлозный или любой быстросохнущий синтетический клей, доводя массу до пастообразного состояния.

Оболочку делают так. Сначала из листа кальки размером 120 × 40 мм сворачивают пустотелый цилиндр, обернув бумагой металлический стержень, а еще лучше – стеклянную трубку, у которой нет заусенцев. Перед накручиванием лист промазывают любым клеем. Внутренний диаметр цилиндра должен быть в три раза больше диаметра стержня.

С помощью шпателя или ложки заполняют пастой бумажный цилиндр, предварительно закрыв пробкой одно из отверстий. Затем вводят в него металлический стержень, стараясь установить его по оси цилиндра. После затвердения оболочки кальку удаляют, разрезав бумажный цилиндр бритвой.

Термитный карандаш готов. В домашних условиях его зажигают от пламени газовой горелки. Если ее нет, воспользуйтесь бенгальским огнем или запаситесь запальным карандашом. Его изготавливают подобно термитному. Только в качестве наполнителя используют бертолетову соль (КСlO₃) и мелкие алюминиевые опилки, а еще лучше – алюминиевую пудру в соотношении 2:1 (по массе), замешанные на том же клею. «Спичечную головку» такого состава для поджига термита можно нанести и на торец термитного карандаша.

В любом случае – используете ли вы покупной сварочный карандаш или самодельный, будьте осторожны и соблюдайте правила пожарной безопасности, работайте в очках, чтобы защитить глаза, да и одежду выберите такую, чтобы не прогорала.