Сварочные работы. Практическое пособие

Сварка малоуглеродистых сталей обычно не создает особых трудностей. Технике сварки таких материалов посвящен весь предыдущий раздел. Здесь же будут рассмотрены специфические особенности свариваемости различных металлов, в т. ч. сталей.

Понятие свариваемости металлов

Принципиальная возможность сварки двух или нескольких твердых тел связана с их взаимной растворимостью в жидком состоянии, поскольку процесс диффузии между разными сплавами в твердом или жидком состоянии возможен при наличии растворимости одного или нескольких элементов свариваемых сплавов (в твердом или в жидком состоянии). Причем полная нерастворимость металлов в жидком состоянии исключает возможность растворимости их в твердом состоянии. Образование между ними какого-либо сварного соединения становится невозможным без помощи иного связывающего тела. Очевидно, лучше всего свариваются материалы с неограниченной взаимной растворимостью.

Однако при сварке плавлением нередко материалы хорошо свариваются и без всякой взаимной растворимости. Связано это с тем, что в сварочной ванне образуется расплав типа механической смеси, и при кристаллизации на зернах каждого из материалов, как на подложке из расплава, будут преимущественно надстраиваться атомы того же самого материала. В результате переход от каждого материала к материалу шва не будет резким, а изменение свойств при переходе через шов будет плавным.

В то же время при сварке давлением в твердом состоянии свариваемость таких материалов будет плохой. Отсутствие взаимной растворимости исключает взаимодиффузию, а при отсутствии жидкой ванны нет и перемешивания. В результате стык будет являться гетерогенной границей с невысоким, как правило, комплексом механических свойств. Поэтому качество сварки должно зависеть в первую очередь от способа диффузионного смешивания свариваемых тел в жидком состоянии, а в конечном счете – от технологических приемов процесса сварки.

Реакция свариваемых материалов на технологический процесс сварки и возможность получения сварных соединений, удовлетворяющих условиям эксплуатации (т. е. без трещин, пор и других дефектов), называется свариваемостью. Причем свариваемость не является свойством тела самого по себе, безотносительно к другому телу. Понятие свариваемости двух или нескольких тел включает в себя отношение их между собой по способности образовывать сварное соединение между собой или с помощью других тел.

Критерием хорошей свариваемости является способность сохранения сварным соединением специальных физических, механических свойств – равнопрочности, жаростойкости, коррозионной стойкости, антифрикционности, вязкости и т. д.

Свариваемость определяют три группы факторов:

● химический состав и структура металла, наличие примесей, степень раскисления[20], подготовительные операции (ковка, прокатка, термообработка деталей);

● сложность формы и жесткость конструкции, масса и толщина металла, последовательность выполнения сварных швов;

● вид сварки и сварочные материалы, режимы термических воздействий на основной материал.

Свариваемость различных металлов и сплавов неодинакова. Свариваемые металлы должны иметь близкие физические, механические, термические, химические свойства, близость коэффициентов термического линейного расширения металлов в стыке.

При определении свариваемости исходят из физической сущности сварки и отношения к ней металлов. Степень свариваемости металла считается более высокой, если для сварки можно применить различные ее способы и различные режимы при каждом способе, как, например, у низкоуглеродистой стали.

Единого показателя свариваемости металлов нет. Для качественной сварки металлы должны обладать свойствами принципиальной (физической) и технологической свариваемости.

Принципиальная, или физическая, свариваемость – это способность металлов в условиях сварки образовывать соединение на основе взаимной кристаллизации. Принципиальной свариваемостью обладают все однородные металлы. Не свариваются металлы, не обладающие взаимной растворимостью, они образуют не межатомные связи, а хрупкие химические соединения. Например, свинец и медь образуют несмешивающиеся пары.

Необходимо также условие сходности металлов, например, по атомному весу, температуре плавления и др. По этим причинам не свариваются алюминий и висмут. Медный сплав и титан, а также сталь и титан не обладают взаимной растворимостью, но задача их соединения решена с применением металловставок, например, медь + тантал + титан; титан + ванадий + сталь. Металл вставки образует смешивающиеся пары с обоими свариваемыми металлами. Но принципиального соединения еще мало, так как нужно еще и качество по прочности. При соединении сваркой несмешивающихся металлов, например железа со свинцом, меди со свинцом и др., зоны сплавления и атомного сцепления не будет, произойдет лишь «слипание» металлов.

Технологическая свариваемость – совокупность свойств основного металла, определяющих чувствительность его к термическому циклу сварки и способность при данной технологии сварки образовывать сварное соединение надлежащего качества по прочности и вязкости без применения специальных технологических приемов (подогрева, отжига и т. д.).

Технологические факторы, ухудшающие свариваемость:

● резкое отличие материалов деталей по свойствам (химическому составу, теплофизическим параметрам, механическим свойствам);

● образование при сварке оксидов, пористости, газовых раковин;

● возникновение значительных напряжений;

● наличие геометрических дефектов (несплавлений, подрезов, резких переходов толщин изделия и т. п.).

Словосочетание «плохая свариваемость» не означает, что плохо проходит сам процесс сварки, формирование шва. Смысл слов «хорошая» и «плохая» свариваемость в том, какой будет эксплуатационная пригодность сварного узла после сварки.

Важнейшими критериями свариваемости являются стойкость против образования горячих и холодных трещин и склонность образовывать закалочные структуры в ЗТВ как самой ослабленной области в сварном соединении. Вследствие нагрева до температуры 1100–1400 °C структура металла в этой зоне крупнозернистая с пониженными механическими свойствами (пластичностью и ударной вязкостью). Эти свойства тем ниже, чем крупнее зерно и шире зона перегрева (как при газовой сварке).

Сварка сталей

Трещинообразование при сварке

Отсутствие холодных или горячих трещин при сварке является основной характеристикой свариваемости. Трещины, образующиеся при температурах выше 800–900 °C, называются горячими, а при температурах ниже 300 °C – холодными.

Холодные трещины образуются под влиянием закалочных явлений, присутствия атомов водорода и остаточных растягивающих напряжений. Чувствительность сварного соединения к образованиям холодных трещин оценивают эквивалентным содержанием углерода в детали. Для этого используют эмпирические формулы, из которых наиболее распространенная[21] имеет вид:

Сэкв = С + Mn/6 + (Cr+V+Mo)/5 + (Ni+Cu)/15,

где С, Мn, Cr, V, Mo, Ni, Сu – массовые доли углерода, марганца, кремния, ванадия, молибдена, никеля и меди, %.

При Сэкв ≤ 0,45 – свариваемость хорошая для легированных сталей.

При Сэкв ≤ 0,49 – свариваемость хорошая для низкоуглеродистых сталей.

При Сэкв > 0,45 до 0,5 – свариваемость удовлетворительная, но сталь склонна к образованию холодных трещин и необходим предварительный подогрев свариваемого изделия до температуры Т = 350(Собщ – 0,25)^½, где Собщ – общий эквивалент углерода, зависящий от Сэкв и толщины S свариваемых деталей: Собщ = Сэкв(1 + 0,005S).

При Сэкв > 0,5 до 0,6 – свариваемость ограниченная, требуются подогрев и отжиг, или нормализация.

При Сэкв > 0,6 до 0,8 – свариваемость плохая.

Пример. Допустим, нужно определить возможность сварки деталей толщиной 5 мм из стали 40ХН.

Для этого понадобится справочник по маркам сталей. Для стали 40ХН содержание С = 0,36–0,44; Mn = 0,5–0,8; Cr = 0,45–0,75; Ni = 1–1,4; Cu ≤ 0,3; ванадий и молибден не содержатся.

Для расчета возьмем средние значения химических элементов в этой стали.

Сэкв=0,4+0,65/6+0,6/5+1,4/15 ≈ 0,72 > 0,45. Следовательно, детали перед сваркой необходимо нагревать.

Собщ = 0,72(1+0,005 × 5) ≈ 0,74. Таким образом, детали нужно нагреть перед сваркой до температуры Т=350(0,74–0,25)^½ ≈ 245 °C.

Формул для определения Сэкв существует около десятка, и достоверность их, в принципе, весьма относительная, так как формулы эти эмпирические, т. е. без вывода. Вот некоторые из них:

1. Рекомендованная ГОСТ 27772–88 формула для всех сталей:

Сэкв = С+ Mn/6 + Si/24 + Cr /5 + Ni/40 + Cu/13 + V/14 + P/2.

2. Уточненная формула для всех сталей:

Сэкв = С + Мn/6 + Сr/6 + Si/5 + Cu/7 + Р/2 + Ni/12 + Mo/4 + V/5.

3. Для малоуглеродистых сталей:

Сэкв = С + Мn/6 + 0,024S, где S – толщина свариваемой кромки (наибольшей).

4. Для легированных сталей:

Сэкв = С + Mn/20 + Ni/15 + (Cr + Mo + V)/10 + 0,024S, где S – толщина металла.

5. Для различных сталей:

Сэкв = С + Мn/6 + Сr/3 + Ni/15 + V/5.

Во всех формулах количество указанного элемента дается в процентном содержании, затем выполняется вычисление.

В процессе кристаллизации металла шва в ЗТВ могут возникать горячие трещины. Они проходят по границам кристаллитов и вызывают межкристаллитное разрушение. Чувствительность сварного соединения к образованию горячих трещин (HCS) вычисляют по формуле:

При HCS < 4 горячие трещины не образуются. Для высокопрочных сталей коэффициент HCS должен быть менее 1,6–2,0.

Сварка чугуна

Чугун – это сплав железа с углеродом, где, в отличие от стали, углерода много – около 2–5 %. В зависимости от количества углерода в сплаве различают белые, серые, ковкие и высокопрочные чугуны.

Белые чугуны на изломе имеют почти белый цвет. Весь углерод в них находится в связанном состоянии в виде карбида железа – цементита Fe₃C. Цементит хрупок, имеет высокую твердость (выше твердости напильника), не поддается механической обработке режущими инструментами и как конструкционный материал практически не применяется. Используется для получения ковких чугунов и сталей.

Серый чугун – это не сплошной металл, а пористая металлическая губка, поры которой заполнены рыхлым неметаллическим веществом – графитом. Такая структура неблагоприятна для сварки, она не встречается ни в одном другом металле. На изломе он имеет серебристый цвет из-за наличия пластинчатых включений графита, включающего в себя половину всего углерода (остальной углерод находится в связанном состоянии). Серые чугуны содержат: 3,2–3,5 % углерода; 1,9–2,5 % кремния; 0,5–0,8 % марганца; 0,1–0,3 % фосфора и менее 0,12 % серы.

Пример обозначения серого чугуна: СЧ32–52. Буквы обозначают серый чугун (СЧ), первое число обозначает предел прочности при растяжении (32 кгс/мм², или 320 МПа), второе число – предел прочности при изгибе. Относительное удлинение при разрыве серого чугуна практически равно нулю. Это характеризует его как непластичный материал.

Хорошо обрабатывается режущим инструментом. Температура плавления, в зависимости от количества углерода, составляет 1100–1250 °C.

Ковкий чугун – название условное. Он не поддается ковке, так как имеет повышенную пластичность и вязкость. Получают его длительным отжигом белого чугуна. В структуре содержит: 2,4–3,0 % углерода в виде графита хлопьевидной формы; 0,8–1,4 % кремния; 0,3–1,0 % марганца; менее 0,2 % фосфора; не более 0,1 % серы.

Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяжении и высоким сопротивлением удару, он менее склонен к трещинообразованию. Пример обозначения ковкого чугуна: КЧ45–6. Буквы обозначают ковкий чугун (КЧ), первое число – предел прочности при растяжении (45 кгс/мм², или 450 МПа), второе – относительное удлинение в процентах (6 %).

Высокопрочный чугун содержит графит шаровидной формы и имеет наиболее высокие прочностные свойства. Содержит: 3,2–3,8 % углерода; 1,9–2,6 % кремния; 0,6–0,8 % марганца; до 0,12 % фосфора и не более 0,3 % серы. Высокопрочный чугун получают путем введения добавки-модификатора – магния в жидкий расплав, что способствует образованию графитных включений шаровидной формы. Механические свойства такого чугуна приближаются к свойствам углеродистых сталей, а литейные свойства выше (но ниже, чем у серых чугунов). Пример обозначения высокопрочного чугуна: ВЧ45–5. Буквы обозначают высокопрочный чугун (ВЧ), первое число обозначает предел прочности при растяжении (45 кгс/мм², или 450 МПа), второе – относительное удлинение в процентах.

Свариваемость чугуна можно характеризовать как противоречивую. При оценке физической свариваемости чугун следует отнести к группе хорошо свариваемых материалов, а при оценке по технологической свариваемости, когда требуется сварное соединение без снижения качества основного металла и металла шва, он является трудносвариваемым сплавом. Основные причины, ухудшающие свариваемость чугуна, следующие.

1. Возможность образования в шве и околошовной зоне хрупких и труднообрабатываемых структур отбела (т. е. появления участков с выделениями цементита той или иной формы) и закалки с очень высокой твердостью.

2. Повышенная текучесть и низкая пластичность затрудняют удержание расплавленного металла от вытекания и формирование шва. Это также создает напряженное состояние структуры и приводит к трещинам.

3. Чугун не имеет пластического (тестообразного) состояния и при достижении температуры плавления мгновенно переходит из твердого состояния в жидкое, а при охлаждении – из жидкого в твердое. Поэтому он поддается сварке только в нижнем положении шва.

4. Образование пористости за счет большого количества окиси углерода и быстрое затвердевание расплавленного металла – причина того, что газы не успевают выйти. Интенсивное газовыделение из сварочной ванны, которое продолжается и на стадии кристаллизации, может приводить к образованию пор в металле шва.

5. «Рост» чугуна, т. е. склонность серого чугуна к необратимому увеличению объема на 3–5 % при нагреве его до 300–500 °C, приводит к деформациям, иногда – к трещинам.

6. Вследствие окисления кремния на поверхности сварочной ванны возможно образование тугоплавких оксидов, что может приводить к непроварам.

При охлаждении чугун расширяется. Повышенная склонность чугуна к образованию хрупких структур связана в основном с высоким содержанием в нем углерода. Это явление особенно проявляется при дуговых способах сварки. При локальном нагреве чугуна создается перепад температур в теле, вызывающий термические напряжения.

Зато при газовой сварке обеспечивается бóльшая зона плавного нагрева и меньшая скорость охлаждения, поэтому образование структур закалки и отбела сварного стыка менее вероятно.

Чугуны очень неоднородны по своему химическому составу и сильно засорены различными примесями, поэтому результаты сварки чугунных деталей одинаковой марки могут быть различны. Нужно помнить и о том, что никому в производстве еще не удавалось получить равнопрочное чугунное сварное соединение.

Нужно помнить, что есть виды чугунных изделий, чугуны которых практически не поддаются сварке. Например, не поддается сварке так называемый горелый серый чугун – подвергшийся длительному воздействию высокой температуры (например, плита на печке), кислот, пара и т. п. Из-за пористости чугуна в подобных случаях окисление проникает на всю толщину металла, обволакивая металлические зерна пленкой окислов и делая металл рыхлым, механически непрочным и главное – не смачивающимся никаким жидким металлом. При попытке сварки дугой в стыке от температуры образуются (скатываются) шарики полуметалла, а стык на их объем углубляется, и получается канавка. Плохо также свариваются чугуны с черным изломом.

Технологические трудности сварки чугуна породили множество способов и разновидностей его сварки: чугун можно сваривать дуговой сваркой металлическим или угольным электродами, газовой сваркой, термитной сваркой, заливкой жидким чугуном, порошковой проволокой и т. д. Но ни один способ не является вполне приемлемым для всех случаев, встречающихся в практике. Поэтому сварку чугуна применяют только при ремонтных работах и при устранении мелких дефектов в отливках. Причем лишь газовая сварка является одним из относительно надежных и несложных способов, позволяющих получить наплавленный металл, по свойствам близкий к основному металлу. Это объясняется термическими процессами при сварке, меньшей вероятностью появления в зоне сплавления отбеленного чугуна.

В зависимости от температуры предварительного подогрева различают сварку с подогревом до высокой температуры (горячая сварка), с небольшим подогревом (полугорячая сварка) и без подогрева (холодная сварка).

Горячая сварка чугуна. Горячая сварка – это разработанный еще в XIX веке И. Г. Славяновым способ, успешно используемый до настоящего времени. Основными недостатками горячей сварки чугуна являются большая трудоемкость и тяжелые условия труда сварщиков, правда, этим достигается высокое качество сварного шва.

При горячей сварке изделия предварительно нагревают до 600–700 °C. При сварке крупных изделий можно применять местный подогрев. При подготовке дефектного места к сварке его тщательно очищают от загрязнения, разделывают для образования полости, легко доступной для сварки, устраивают формовку для предотвращения вытекания металла из сварочной ванны. Формовку выполняют графитовыми или угольными пластинками, скрепленными формовочной массой из кварцевого песка, увлажненного жидким стеклом, или другими формовочными материалами. Формовку производят в опоках. Форму просушивают при постепенном изменении температуры от 60 до 120 °C, после чего изделие подогревают. Применяют несколько способов ручной горячей сварки чугуна.

Ручную дуговую сварку покрытыми электродами используют в мелкосерийном производстве, при заварке дефектов в труднодоступных местах. При сварке покрытыми электродами с чугунным стержнем на переменном или постоянном токе прямой полярности обеспечивается стабильно хорошее качество. Перед началом заполнения заформованного участка первую порцию расплавленного металла рекомендуется выплеснуть для удаления неметаллических включений. Сварку ведут на токах 900–1000 А.

Для заварки мелких дефектов при полужидком металле сварочной ванны следует применять покрытые электроды со стержнем из углеродистой стали ∅ 5 мм. Сварку производят на постоянном токе прямой полярности силой 200–250 А с использованием стандартного оборудования. Механические свойства металла сварного соединения аналогичны свойствам основного металла.

Газовую сварку чугунных деталей выполняют нормальным пламенем или пламенем с небольшим избытком ацетилена. У деталей толщиной до 5 мм разделку кромок не делают, а у изделий толщиной свыше 5 мм производят разделку кромок под углом 70–90°. Диаметр прихваток 5–6 мм. После нагрева до 500–700 °C в начале сварки пламя горелки устанавливают почти вертикально таким образом, чтобы ядро пламени находилось на расстоянии 2–3 мм от поверхности свариваемого металла. По мере выполнения сварки горелку наклоняют под небольшим углом. Вид пламени – нормальное или слегка науглероживающее. Его тепловую мощность выбирают исходя из расхода ацетилена 120 дм³/ч на 1 мм толщины свариваемого металла.

В качестве присадки применяют чугунные прутки марки А диаметром 4, 6, 8, 10 мм и длиной 250–450 мм. Для облегчения выделения газа металл сварочной ванны необходимо непрерывно помешивать присадочным прутком. С целью удаления образовавшихся при сварке окислов и улучшения процесса сварки используют специальные флюсы (табл. 36). Для получения сварного соединения со свойствами, аналогичными свойствам основного металла, следует уменьшить скорость охлаждения путем отвода пламени сварочной горелки от поверхности свариваемого металла на 50–60 мм, подогревая наплавленный металл пламенем в течение 1–1,5 мин. Для уменьшения внутренних напряжений в массивных деталях сложной конфигурации их рекомендуется вторично подогреть до 600–700 °C и постепенно охладить.

Газовую сварку с местным подогревом до 300–500 °C применяют, когда место сварки и характер конструкции позволяют использовать местный подогрев без появления трещин и напряжений в свариваемых изделиях. Подогрев выполняют сварочными горелками, паяльными лампами и другими возможными средствами. Состав газового пламени и его мощность при сварке выбирают такие же, как и при сварке с общим подогревом. В качестве присадки применяют чугунные прутки марки Б диаметром 4, 6, 8, 10 и 12 мм и длиной 250–450 мм. Места сварки после окончания процесса медленно охлаждают, покрывая асбестом или засыпая песком.

Полугорячая сварка. Когда требуется исправить небольшой дефект сложной детали или дефект, расположенный на массивной детали в тонком месте, где укорочение от нагрева при сварке не встречает большого сопротивления, можно применять электродуговую сварку с предварительным нагревом до 250–400 °C (полугорячую сварку). Такой подогрев свариваемой детали способствует замедленному охлаждению металла шва и прилежащих к нему зон после сварки. По технике выполнения и применяемым материалам полугорячая сварка не отличается от горячей.

Детали перед сваркой нагревают в термических печах, горнах или с помощью газовых горелок ацетиленокислородным пламенем. При подогреве газовой горелкой необходимо следить за равномерностью нагрева подогреваемой поверхности.

Полугорячую сварку чугуна можно осуществлять низкоуглеродистыми стальными электродами с покрытиями типа МР-3, УОНИИ-13, стальными электродами со специальным покрытием, чугунными электродами и ацетиленокислородным пламенем с применением чугунных присадочных прутков. При сварке сквозных трещин или при заварке дефектов, находящихся на краю деталей, необходимо применять графитовые формы, предотвращающие вытекание жидкого металла из сварочной ванны. Во время сварки следует непрерывно поддерживать значительный объем расплавленного металла в сварочной ванне и тщательно его перемешивать концом электрода или присадочного стержня. Для замедленного охлаждения заваренные детали засыпают мелким древесным углем или сухим песком.

Холодная сварка. Сварка называется холодной потому, что изделие перед сваркой не проходит общий подогрев до высоких температур, а подогреву подвергаются лишь зона сварки и свариваемые кромки до температур 350–500 °C в зависимости от габаритов изделия и толщины стенок.

Существует значительное число способов холодной электродуговой сварки чугуна: стальными электродами, стальными электродами со специальными покрытиями, чугунными, медными и прочими электродами. Стержни для электродов делаются преимущественно из цветных металлов и сплавов, например меди, медно-никелевых и железоникелевых сплавов.

Холодную сварку чугуна стальными или чугунными электродами применяют лишь в редких случаях при ремонте неответственных чугунных изделий небольших размеров с малым объемом наплавки, не требующих после сварки механической обработки. Сварное соединение неоднородно по структуре, часто не обладает достаточной плотностью и имеет низкую прочность.

Сварку электродами с защитно-легирующими покрытиями выполняют с V– или Х-образной разделкой кромок. Для устранения неравномерного разогрева детали сваривают отдельными участками вразбивку. Длина отдельных наплавленных участков сварного шва не должна превышать 100–120 мм. После наплавки отдельных участков им дают возможность остыть до температуры 60–80 °C.

Хорошие результаты получают при сварке электродами с покрытием УОНИИ-13/45 на постоянном токе обратной полярности. Также для сварки чугуна получили распространение медно-железные, медно-никелевые и железоникелевые электроды.

Ручная сварка электродами из цветных металлов на медной основе получила широкое распространение для заварки трещин с обеспечением хороших прочностных показателей свариваемых деталей. Сварку ведут электродами ОЗЧ-2 и СТЧ-3 на постоянном токе прямой полярности в нижнем или наклонном положениях небольшими участками длиной 30–80 мм «вразброс» для предупреждения чрезмерного местного перегрева детали. Основной металл при этом проплавляют минимально. Каждый валик после остывания следует очистить и проковать.

Зазоры между кромками при заварке трещин рекомендуется заплавлять стальными электродами. Возобновляют сварку после охлаждения места сварки до 50–70 °C. Длина дуги у электродов ОЗЧ-2 должна быть предельно короткой. Применяют электроды ∅ 4–7 мм, силу тока соответственно 140–300 А. Сварку электродами со стержнем из сплава на основе никеля используют для устранения мелких дефектов, прежде всего, когда требуется обеспечить обрабатываемость сварного соединения, а также его цвет, аналогичный цвету основного металла. Обычно применяют электроды со стержнем из медно-никелевого сплава, который называют монель-металлом: ОЗЧ-З, ОЗЧ-4, ОЗЖН-1, МНЧ-2 и СТЧ-2. Основная марка таких электродов – МНЧ-2 (70 % никеля, 28 % меди).

Сварку электродами ОЗЧ-З и МНЧ-2 на постоянном токе обратной полярности производят короткими швами длиной 30–50 мм с проковкой каждого шва и перерывами для охлаждения. При сварке электродами ОЗЧ-З ∅ 2,5–5 мм сварочный ток 60–150 А, а электродами МНЧ-2 ∅ 3–5 мм – 90–190 А (из расчета 30–40 А на 1 мм диаметра электродного стержня). При заварке крупных дефектов или наплавке больших объемов металла используют также электроды ОЗЖН-1. Электродами ОЗЧ-З наплавляют первый и последний слой, а промежуточные слои наплавляют поочередно электродами ОЗЖН-1 и ОЗЧ-З. Техника и режимы сварки электродами ОЗЧ-1, ОЗЖН-1 и ОЗЧ-З аналогичны. Эти электроды рекомендуются для наплавки последнего слоя при заполнении разделки электродами ОЗЧ-З. То же относится и к электродам СТЧ-2 и МНЧ-2. Сварку ведут электродами ∅ 3–6 мм, сварочный ток соответственно 85–240 А.

Холодная сварка чугуна медно-никелевыми электродами ведется короткими валиками (40–50 мм) с перерывами для охлаждения до температуры 60–70 °C. Высота валика не менее 4 мм, причем каждый валик прочеканивается ударами ручного молотка. Если проковка недоступна или невозможна, то применение медных электродов нецелесообразно. Наплавку валика выполняют только в нижнем положении. При выполнении всех рекомендаций сварка обеспечивает до 70 % прочности основного металла и плотность сварного соединения.

Некоторые дефекты, расположенные по краям, а также «бобышки» и платики можно наплавлять полужидкой ванной с принудительным формированием. Используют силу тока в 1,5 раза больше по сравнению с током при послойной сварке. Мелкие дефекты на обрабатываемых поверхностях заваривают электродами с карбидообразующими элементами в покрытии, например ЦЧ-4. Сварку ведут на минимальном токе электродами диаметром более 4 мм из расчета 23 А на 1 мм диаметра электрода. Ток постоянный, полярность обратная. Кромки рекомендуется облицовывать не более чем в 2 слоя с последующим заполнением объема стальными электродами типа Э42 и Э42А.

Когда не требуется механическая обработка сварных соединений и не оговаривается их прочность, рекомендуется сварка стальными электродами, применяемыми для сварки низкоуглеродистых сталей, а также электродами ЦЧ-4 или электродами со стержнем на основе никеля. Сварку производят отдельными участками на минимальном режиме с перерывами для охлаждения основного металла. При толщине детали до 20 мм разделка кромок необязательна. При большей толщине угол разделки 90–120°.

Для получения равнопрочного с основным металлом соединения непосредственно по месту работы детали без ее демонтажа в завариваемое место устанавливают в шахматном порядке стальные шпильки. При толщине стенок детали до 10 мм диаметр шпилек составляет 6 мм, до 20 мм – 10 мм, для более толстых – 16 мм. Сварку выполняют участками 40–50 мм с перерывами для охлаждения и минимальной глубиной проплавления.

Для качественной сварки серого чугуна нужны специальные электроды, которых, как правило, нет и достать их трудно. В аварийной ситуации, например для экстренного ремонта котла, можно использовать обыкновенные электроды для переменного тока. Производят сварку как обычно, но через каждые 2–3 см шов надо охлаждать солидолом.

Сварка без предварительного нагрева изделий из высокопрочного и ковкого чугуна имеет свои особенности – высокопрочный чугун обладает повышенной склонностью к отбеливанию и большой прокаливаемостью, а ковкий чугун имеет повышенную графитизацию, что затрудняет смачиваемость поверхности при сварке. Сварку можно выполнять до и после термической обработки. До термической обработки изделия сваривают электродами УОНИИ-13/45 и УОНИИ-13/55, а после нее – электродами со стержнем на основе никеля.

Газовую холодную сварку применяют, когда при нагревании и охлаждении детали могут свободно расширяться и сжиматься, не вызывая значительных остаточных напряжений. Технология холодной и горячей сварки в основном одинакова. Вид пламени – нормальное или слегка науглероживающее. Расход ацетилена составляет 100–120 дм³/ч на 1 мм толщины металла, тепловая мощность пламени – максимально возможная. Перед сваркой необходимо подогреть завариваемые кромки пламенем горелки.

Сварку проводят как левым, так и правым способами, в зависимости от толщины деталей, с применением флюсов (см. табл. 36) и присадочных материалов в виде прутков марок А и Б. Шов формируют в нижнем положении. После сварки горелку в течение 2–3 мин медленно отводят от сварного шва. Место сварки защищают асбестовыми листами или песком.

При заваривании дефектов сварку рекомендуется проводить отдельными сварочными ваннами длиной 20–50 миллиметров.

Газовая пайкосварка. Нагрев чугуна при сварке приводит к значительным деформациям изделия, поэтому на последних операциях механической обработки сварных соединений используют не сварку, а пайкосварку – промежуточный процесс между сваркой и пайкой. Заключается она в том, что до температуры плавления нагревают не свариваемый металл, а легкоплавкий (820–860 °C) присадочный материал, смачивающий свариваемые кромки.

Низкотемпературная пайкосварка выполняется ацетиленокислородным пламенем, которое позволяет выполнять независимый, раздельный нагрев основного и присадочного металлов, флюсов. Вид пламени – строго нормальное. Вместо ацетиленокислородного пламени можно использовать пропано-кислородное. Его тепловую мощность выбирают исходя из расхода пропана 60–70 дм³/ч на 1 мм толщины металла.

Перед пайкосваркой изделие прогревают до 300–400 °C в печи, а при небольших размерах изделия – пламенем газовой горелки. С места сварки должны быть удалены загрязнения (окислы, жир и др.). Кромки разделывают механическим путем, как и при сварке. При разделке сквозных трещин притупление должно быть не более 1,5 мм. Места сварки зачищают до металлического блеска.

Подготовленные к сварке кромки обжигают пламенем горелки с избытком кислорода для выжигания графита на поверхности кромок, чтобы улучшить смачиваемость чугуна припоем и сцепление металлов. На нагретую поверхность наносят слой специального флюса марки ФСЧ-2 или МАФ-1 (табл. 37)[26]. Специальные чугунные присадочные прутки марки НЧ-2 или УНЧ-2 (табл. 38) также покрывают флюсом, предварительно подогрев их.

Признаком готовности кромок к пайкосварке является равномерное растекание расплавленного флюса по кромкам (это 800–850 °C). Конец присадочного прутка разогревается и опускается во флюс, при этом пламя горелки не должно отводиться от места нагрева, а на кромки нужно периодически подавать флюс. На горячий пруток налипает нужное количество флюса. Затем расплавляется конец прутка с флюсом. Капли расплавленной присадки растираются тонким слоем по поверхности разогретых кромок этим же прутком. При соприкосновении капли с кромкой соединения на поверхности кромки повышается температура, так как капля отдает свою часть теплоты. Под действием флюса и пламени капли жидкого припоя хорошо растекаются по кромкам тонким слоем, заполняя поры и пустоты в чугуне, обеспечивая улучшение прочности сцепления.

Отрицательное влияние свободного графита на кромках при смачивании уменьшается активными добавками во флюсе.

Можно применять пайкосварку латунными припоями. Этот метод отличается тем, что рабочая температура процесса составляет 650–780 °C (т. е. практически температура смачивания поверхности металла), что не изменяет существенно структуру чугуна, а значит, не вызывает термических внутренних напряжений. Соединяемые кромки должны быть шероховатыми, так как гладкие поверхности латуни плохо смачиваются и сцепление латуни с чугуном недостаточно прочное. Углерод тоже препятствует смачиванию латунью, поэтому его выжигают с кромок окислительным пламенем или покрывают кромки пастой из железных опилок, борной кислоты и нагревают кромки пламенем горелки до 750–900 °C. Способ выжигания углерода окислительным пламенем проще и используется чаще.

Пайкосварка состоит в следующем: нагрев кромок до красного цвета, обработка флюсом, облуживание нормальным пламенем или немного окислителем. Пайкосварка выполняется в слегка наклонном положении снизу вверх, чтобы расплавленная латунь не закрывала луженые участки. Лучшие результаты достигают при левом способе сварки. Расстояние между ядром пламени и концом прутка должно составлять 2–3 мм, угол между горелкой и деталью – 20–30°. После сварки изделие медленно охлаждают под слоем асбеста или в песке.

В качестве присадочных материалов берут латунь Л63, ЛОK59–1-03 или ЛОМНА 49–05–10–4–0,4 по ГОСТ 16130–90. Испарению цинка препятствует пленка окислов кремния, а также избыток кислорода в пламени. Без применения мер защиты угар цинка составит 5 %, а цинковый дым ядовит для организма человека. Соединения при такой пайкосварке получаются почти равнопрочные с низкоуглеродистой сталью.

Снижение рабочей температуры достигается применением специальных флюсов, например марки ФПСН-1 и ФПСН-2. Флюсом нейтрализуется вредное действие свободного графита. При температуре плавления флюсов 600–650 °C они являются индикаторами начала процесса при пайкосварке, т. е. сигналом для расплавления припоя. Флюс применяют в виде пасты, разведенной водой, или в виде порошка.

Наплавленный металл сразу же после сварки проковывают при температуре 600 °C ручным медным молотком.

Для исправления мелких дефектов на последующих операциях механической обработки применяют также газопорошковую пайкосварку. Исправляемую поверхность нагревают газовой горелкой до 300–400 °C, этой же горелкой напыляют слой порошкообразного сплава, не доведенного до расплавления, на напыленную поверхность наплавляют порошкообразный сплав. Деталь нагревается незначительно, сохраняя окончательные геометрические размеры. Порошковые материалы (например, сплавы НПЧ-1 и НПЧ-2) подают к месту сварки через горелку.

Сварка алюминия и его сплавов

Сварка алюминия и его сплавов затруднена тем, что на поверхности расплавленного металла постоянно образуется тугоплавкая пленка оксида алюминия Al₂O₃, препятствующая сплавлению частиц металла между собой. Высокая температура плавления оксида алюминия (2050 °C) и низкая температура плавления алюминия (658 °C) крайне затрудняют управление процессом сварки. Попадая в шов, окисная пленка образует неметаллические включения, резко снижая показатели прочности и пластичности.

Алюминий при расплавлении не меняет свой цвет, поэтому визуальное наблюдение при сварке за состоянием ванны затруднено, особенно при подогреве, так как в один момент металл стыка может просто провалиться, распасться. Алюминий очень хрупок в нагретом состоянии. При сварке окисную пленку удаляют флюсами, покрытиями электродов и специальными циклическими импульсами на дуге от источников питания.

Следующая трудность – образование пор по причине наличия в шве водорода. Он, вяло выделяясь из ванны, оставляет дефекты в виде пор. Алюминий при сварке склонен к кристаллизационным трещинам. Присутствие в нем железа и кремния сильно влияет на появление трещин в металле шва. Увеличение содержания кремния до 0,6 % снижает стойкость против образования трещин. Железо в шве до 0,7 % положительно влияет на стойкость к образованию трещин. При содержании железа более 0,8 % стойкость к образованию трещин снижается.

К проблемным параметрам алюминия при сварке относятся также высокая теплопроводность – в 3 раза выше, чем у железа, и высокий коэффициент теплового расширения – в 2 раза больше, чем у железа, что способствует увеличению деформаций.

Абсолютное большинство сварных конструкций изготавливается из деформируемых, термически не упрочняемых сплавов алюминия с марганцем (АМц) и с магнием (АМг), а также литейных недеформируемых сплавов алюминия с кремнием (силумин). К таким сплавам относятся: АД, АД-1, АМц, АМг, АМг3, АМг5В, АМг6, АВ, АД33, АД35, Д20, ВАД-1, В92У.

Для прочих сплавов сварка плавлением почти не применяется, так как околошовная зона сильно разупрочняется и невозможно получить прочное соединение. Распространенный сплав алюминия с медью (4–5 % Cu) Д16, Д1, называемый дюралюминием, имеет очень плохую свариваемость и для сварных конструкций не применяется, а соединяется клепкой.

Высокая теплопроводность алюминия и его сплавов требует применения специальных технологических приемов, а при массивных деталях – предварительного подогрева. Алюминий сваривают плавлением и давлением; в первом случае применяется ручная и механизированная сварка в аргоне плавящимся и неплавящимся электродом, покрытыми электродами, газовая.

Независимо от способа сварки алюминиевые изделия перед сваркой должны проходить специальную подготовку, заключающуюся в обезжиривании металла и удалении с его поверхности пленки оксида алюминия. Поверхность металла обезжиривают растворителями (авиационным бензином, техническим ацетоном), затем механической зачисткой или химическим травлением удаляют оксидную пленку.

Химический способ удаления пленки оксида алюминия состоит из следующих операций: травление в течение 0,5–1 мин раствором 45–55 г едкого натра и 40–50 г фтористого натрия на 1 л воды; промывка в проточной воде; нейтрализация в 25–30 %-ном растворе азотной кислоты в течение 1–2 мин; промывка в проточной, а затем в горячей воде; сушка до полного удаления влаги. Обезжиривание и травление рекомендуется делать не более чем за 2–4 ч до сварки.

Ручную электросваркуалюминия используют во многих случаях.

Ручную сварку угольным электродом на постоянном токе прямой полярности используют только для неответственных изделий. Этот способ сварки ранее успешно был внедрен электротехниками для сварки контактов электропроводов. Недостаток: чистый алюминий загрязняется углеродом. Оксидную пленку удаляют с помощью флюса АФ-4А (табл. 39). Сварку ведут на графитовых или угольных подкладках. Электроды графитовые или угольные, ∅ 8–15 мм; сварочный ток – 150–450 А. Флюс наносят на основной и присадочный материал.

Сварку металла толщиной до 2 мм ведут без присадки и без разделки кромок, металл толщиной свыше 2 мм сваривают с зазором 0,5–0,7 толщины свариваемых листов или с разделкой кромок.

Ручную сварку покрытыми электродами применяют в основном при изготовлении малонагруженных конструкций из технического алюминия, сплавов типа АМц и АМг, силумина при толщине материала более 5 мм. Тонкий листовой алюминий (до 3 мм) нужно варить с отбортовкой.

Использование постоянного тока обратной полярности с предварительным подогревом (для средних толщин – 250–300 °C, для больших толщин – до 400 °C) обеспечивает требуемое проплавление при умеренных сварочных токах. В связи с тем, что алюминиевый электрод плавится в 2–3 раза быстрее стального, скорость сварки алюминия должна быть соответственно выше.

Сварку рекомендуется выполнять непрерывно в пределах одного электрода, так как пленка шлака на кратере и конце электрода препятствует повторному зажиганию дуги. Для обеспечения устойчивого процесса при минимальных потерях на разбрызгивание рекомендуется применять сварочный ток из расчета 25–32 А на 1 мм диаметра электрода, но не более 60 А.

Электроды ОЗА-1 предназначены для сварки алюминия АД0, А6, АД1, АД и подобного. Электродный стержень Св-А97 (ГОСТ 7871–75). Предел прочности металла шва 6,5–8,5 кгс/мм². После сварки шов следует немедленно промыть горячей водой и очистить стальной щеткой от остатков шлака. Покрытие электродов гигроскопично (поглощает влагу из окружающей среды), поэтому электроды перед сваркой просушивают при температуре 200 °C в течение 2 ч.

Для заварки литейных дефектов применяются электроды марки ОЗА-2 с электродным стержнем из кремнистого алюминия АК5 (ГОСТ 7871–75). Электроды ОЗА-2 применяются для наплавки деталей из литейных сплавов марки AЛ-2, АЛ-4, AЛ-5, AЛ-9, АЛ-11, а также для их сварки. При сварке нужно учитывать необходимость любых подкладок (даже формовка размягченным водой асбестом) для удержания расплава алюминия от провала.

Рекомендованные флюсы приведены в табл. 39. Флюс наносится либо в виде порошка, либо в виде пасты, приготовленной на воде или спирте. Разводят флюс в необходимом количестве с учетом его хранения до 6 ч в закрытой таре, чтобы не уменьшить его химическую активность. При применении указанных флюсов для электродных покрытий к ним добавляют до 30 % криолита Na₃AlF₆.

Основной вид соединения – стыковой, но при механизированной сварке в защитных газах применяют и тавровые, угловые соединения.

Аргонодуговая сварка алюминия. Аргонодуговая сварка алюминия и его сплавов с середины 60-х годов прошлого века является несложной и хорошо разработанной в части технологии сварки задачей. Она обеспечивает наилучшее качество по прочности, внешнему виду, имеет наименьшие технологические сложности. При ручной дуговой сварке применяется неплавящийся вольфрамовый электрод, а при полуавтоматической и автоматической – плавящийся, хотя при автоматической сварке нередко применяют и неплавящийся электрод.

При сварке в аргоне не требуется тщательной подготовки (очистки от окислов) кромок алюминия, сварка выполняется на специальном оборудовании, импульсом тока дуги, от которого разрушается и удаляется окисная пленка. В процессе сварки хорошо видно, как пленка окислов оттесняется в стороны от ванны и вскрывается чистый (как ртуть) серебристый металл, который медленно расплавляется при правильном режиме.

Сварщику необходимо помнить, что алюминий и его сплавы при нагреве сразу переходят из твердой фазы в жидкую, минуя пластическую. Поскольку при нагреве до 400–500 °C алюминий почти полностью теряет прочность, надо следить за тем, чтобы деталь не разрушилась под действием собственной силы тяжести.

Для автоматической сварки алюминиевых сплавов вольфрамовым (неплавящимся) электродом оптимальные режимы указаны в табл. 40. На сварочных полуавтоматах применяется сварочная алюминиевая проволока ∅ 1–2 мм, сварочный ток до 300 А, скорость подачи проволоки – 150–650 м/ч, расход защитного газа (аргона) 300–600 л в час; чем больше скорость сварки, тем больше расход аргона. Сварка вольфрамовым (неплавящимся) электродом выполняется на переменном токе с использованием в сварочной цепи специального осциллятора. Сварка плавящимся электродом проводится на постоянном токе при обратной полярности, сварочный ток – 300–400 А, напряжение на дуге 38–44 В, скорость сварки – 12–20 м/ч. При сварке вольфрамовым электродом на прямой полярности («—» на электроде) стойкость электрода и допустимый предельный ток выше примерно в 7 раз.

Присадочную проволоку ∅ 2,0 мм подают в зону сварки механически, по мере надобности. Подающий механизм по принципу действия – не толкающего, как для стальной проволоки, а тянущего типа.

Ручную аргонодуговую сварку выполняют неплавящимся вольфрамовым электродом в осушенном от влаги аргоне высшего или первого сорта на переменном токе. Для металла толщиной до 5–6 мм используют электроды ∅ 1,5–5,0 миллиметров.

Проволоку и свариваемые кромки обезжиривают ацетоном или бензином, затем счищают окисную пленку стальной щеткой. Зачистка позволяет сохранить алюминий чистым в течение 2 часа.

Сварка выполняется без поперечных колебаний электродом или прутком. Сварку желательно вести на больших скоростях в один слой, чтобы не перегревать металл.

Если толщина свариваемого металла более 8 мм, то алюминий нужно предварительно подогревать до температуры 150–300 °C горелкой – по 80–100 мм с каждой стороны стыка.

Особые требования предъявляются к технике сварки. Угол между присадочной проволокой и электродом должен составлять ~90°. Присадку следует подавать короткими возвратно-поступательными движениями. Недопустимы поперечные колебания вольфрамового электрода. Обеспечение эффективной защиты для каждого режима сварки достигается оптимальным расходом газа (табл. 41). Для уменьшения опасности окисления размеры сварочной ванны должны быть минимальными. Сварку алюминия толщиной до 10 мм обычно ведут левым способом (справа налево), который позволяет снизить перегрев свариваемого металла.

Автоматическая сварка алюминия по флюсу. Особенность сварки алюминия – по флюсу, а не под флюсом – заключается в том, что флюс имеет высокую электропроводность, шунтируется электродугой и дуга горит с видимым ярким свечением.

Применяемый флюс марки АН-А1 имеет следующий состав: хлористый калий (50 %), хлористый натрий (20 %), криолит Na₃AlF₆ (30 %). Есть и другие марки флюсов, например АН-А4, АН-А6, но их составы отличаются незначительно. Высота слоя флюса – 15–30 мм; сварочная проволока – Св-А97 и Св-АМц ∅ 2–3 мм. Сварку ведут постоянным током при обратной полярности. Сварочный ток – 300–400 А, напряжение на дуге – 38–44 В (т. е. повышенное), скорость сварки – 12–20 м/ч. Алюминий толщиной 4–10 мм варят таким способом без разделки на стальной подкладке.

Газовая сварка алюминия. Одним из наиболее доступных и недорогих способов сварки алюминия и его сплавов является газовая сварка с использованием как ацетилена, так и пропан-бутана. Способ является надежным и незаменимым при отсутствии технических возможностей применить более совершенный способ, например аргонодуговую сварку. По качеству соединения деталей газовая сварка дает удовлетворительные результаты. Однако основным видом соединений при газовой сварке алюминия и его сплавов является стыковое. Выполнять тавровые, угловые и нахлесточные соединения не рекомендуется.

Кромки разделывают механическим способом и за 2 ч до сварки тщательно зачищают. Перед сваркой кромки деталей и присадочную проволоку промывают в течение 10 мин в щелочном растворе, содержащем 20–25 г едкого натра и 20–30 г карбоната натрия на 1 дм³ воды при температуре 65 °C, с последующей промывкой в воде. После этого кромки и присадку протравливают в течение 2 мин в 15 %-ном растворе азотной кислоты, промывают в горячей и холодной воде, а затем сушат.

Сварку проводят с применением флюсов (см. табл. 39), до создания которых газовая сварка алюминия была невыполнимой задачей. Для ответственных сварочных работ, в особенности для тонких металлов, при сварке алюминия и сплавов нужно применять флюсы, содержащие соли лития. Лучшим из них считается флюс АФ-4А. В качестве горючего газа, кроме ацетилена, можно использовать природный газ, пропан-бутановые смеси и водород. Качество соединения в таких случаях получается вполне удовлетворительное.

Флюс наносят в зону сварки различными удобными способами в виде пасты или порошка, прилипающего к разогретому металлу. Находящиеся во флюсе фтористые соединения растворяют окисную пленку Аl₂О₃ в расплавленной ванне, а хлористые соли лития отнимают кислород у окиси алюминия, и металл становится чистым. Флюсы очень гигроскопичны, поэтому их хранят в герметичной таре. Флюс, разведенный в виде пасты на воде, может храниться не более 10 часов.

Соли лития очень дефицитны и дороги, поэтому делается много попыток создать флюсы, не содержащие лития. Но все безлитиевые флюсы на сегодняшний день не являются полноценными; это всего лишь заменители, дающие более или менее удовлетворительные результаты.

Настоящий флюс содержит от 15 до 30 % солей лития. Проверка его пригодности проводится так: нагревается небольшая зона (точка) горелкой до появления серой шероховатой поверхности (окисления), затем разогрев посыпается флюсом. Если поверхность металла очищается до ртутного блеска, то флюс хороший.

Сварку осуществляют в нижнем положении за один проход с максимально возможной скоростью. Левым способом сваривают детали толщиной до 5 мм, правым – толщиной свыше 5 мм. Сварку плоских конструкций целесообразно выполнять обратноступенчатым методом.

Детали толщиной свыше 10 мм перед сваркой рекомендуется подогреть до температуры 300–350 °C. В качестве присадочного материала используют сварочную проволоку одиннадцати марок (СвАК5, СвАМц, СвАМг3 и др.).

Пламя газовой горелки нормальное, его тепловую мощность выбирают исходя из расхода ацетилена 75 дм³/ч на 1 мм толщины металла. Сварку ведут с расположением мундштука горелки под углом 20–40°, а прутка – под углом 40–60° к плоскости детали. При сварке нужно постоянно помешивать (или щупать – при подогреве) концом прутка ванну. Прочность сварного шва составляет 70–90 % от прочности основного металла. Чтобы флюс не разъедал алюминий, после сварки его удаляют промывкой горячей водой или пятиминутным травлением в 2 %-ном растворе хромовой кислоты при температуре 80 °C. При обнаружении на поверхности белого налета промывку повторяют.

Сварка меди и ее сплавов

Сварка свинца

Свинец отличается малой теплопроводностью и низкой температурой плавления (327 °C) с образованием тугоплавкого оксида РbО (температура плавления 850 °C). При сварке изделие должно иметь наклон не более 10–15°. Наиболее рационально нижнее положение. Рекомендуется использовать формирующиеся пластины-прокладки. Кромки деталей предварительно обезжиривают бензином и зачищают до металлического блеска на ширину 20–30 миллиметров.

Электродуговая сварка свинца может производиться с помощью угольного или вольфрамового электрода в среде инертных газов при постоянном токе прямой полярности (табл. 45). Электроды во время сварки располагают перпендикулярно детали или под углом 10° в направлении сварки.

При газовой сварке свинца применяют газы – заменители ацетилена: пропан-бутан, водород, природный и городской газы, пары бензина и керосина.

Наибольшее распространение получили нахлесточные и стыковые соединения. Листы толщиной до 1,5 мм сваривают встык без применения присадочного металла с отбортовкой кромок. Перед сваркой кромки тщательно зачищают до металлического блеска на ширину не менее 30 мм с обеих сторон шва. Детали толщиной до 6 мм сваривают встык без разделки кромок, а большей толщины – с разделкой под углом 30–35° с каждой стороны. Мощность сварочного пламени выбирают из расчета 15–20 дм³/ч ацетилена на 1 мм толщины свариваемого металла.

Сварку свинца можно выполнять левым способом в любом пространственном положении. Присадочным материалом являются полоски свинца или свинцовая проволока. Наконечник горелки должен быть наклонен к поверхности свариваемого металла под углом 45°. Для удаления оксидной пленки рекомендуется применять флюс, состоящий из равных частей канифоли и стеарина. Чтобы предотвратить протекание металла при сварке свинца, используют подкладки.

Сварка никеля и его сплавов

Эти материалы обладают высокой жаростойкостью и жаропрочностью, они устойчивы к действию коррозии. Основные трудности при сварке никеля и его сплавов – высокая склонность к образованию пор и кристаллизационных трещин, связанная с резким изменением растворимости кислорода, азота и водорода при переходе металла из твердого в жидкое состояние. Поэтому технология сварки должна обеспечивать надежную защиту зоны сварки от атмосферного воздуха, хорошее раскисление сварочной ванны и ее дегазацию.

Эффективная мера предотвращения пористости – сварка короткой дугой (до 1,5 мм), при которой резко уменьшается подсос газов из атмосферы, предварительный прогрев материала до 300 °C и охлаждение на воздухе. Для преодоления высокой склонности металла к образованию кристаллизационных трещин ограничивают содержание вредных примесей и вводят элементы, связывающие серу в более тугоплавкие соединения (до 5 % Мn и до 0,1 % Mg).

Для ограничения роста зерна сварку ведут на ограниченной погонной энергии и вводят в металл шва в небольшом количестве модификаторы (титан, алюминий, молибден), измельчающие его структуру.

Детали толщиной до 5 мм сваривают без разделки кромок, толщиной 6–12 мм – с V-образной разделкой, толщиной более 12 мм – с Х-образной разделкой. Угол раскрытия разделки – 60–70°, притупление – 2–4 мм. Перед сваркой кромки деталей обезжиривают ацетоном и зачищают до металлического блеска. Для формирования обратной стороны шва используют формирующие прокладки из меди или подушки из флюса.

Ручную дуговую сварку применяют для листов толщиной свыше 1,5 мм и выполняют электродами с основным покрытием на постоянном токе обратной полярности. Для предупреждения перегрева электрода и снижения напряжений в сварном соединении при сварке используют ток, пониженный по сравнению с током для сварки стали (табл. 46).

Сварку по возможности необходимо вести в нижнем положении со скоростью примерно на 15 % меньше скорости сварки сталей. Поперечные колебания электрода не должны превышать трех диаметров электрода. При смене электрода или случайных обрывах дуги ее возбуждают, отступая на 5–6 мм от кратера назад на зачищенном от шлака шве. Рекомендуется вести сварку за один проход, зазор между кромками должен быть 2–3 мм. При больших толщинах, когда многопроходная сварка неизбежна, рекомендуется сваривать после остывания соединения и тщательной очистки предыдущего слоя от шлака и брызг.

Для сварки никеля используют электроды, изготовленные из никелевой проволоки НП1 (Н-10, Н-37, «Прогресс-50» и др.). Для сварки никеля и медно-никелевых сплавов используют электроды с покрытием УОНИИ-13/45. Для сварки хромоникелевых (ХН78Т) сплавов используют электроды ЦТ-28, а для сплавов типа ХН80ТБЮ – электроды ИМЕТ-4, ИМЕТ-7, ИМЕТ-4П, ВЧ-2–6. Для снятия напряжений после сварки рекомендуется термообработка.

Ручную аргонодуговую сварку проводят постоянным током прямой полярности при надежной защите сварочной ванны от окисления струей аргона. Предупреждение пористости при этом способе достигается добавкой к аргону до 20 % водорода и использованием проволоки с добавками титана, алюминия, ниобия, которые связывают газы. Швы рекомендуется накладывать с минимальными поперечными колебаниями электрода, угол наклона горелки к оси шва должен быть 45–60°, вылет вольфрамового электрода 12–15 мм, присадочный материал подают под углом 20–30° к оси шва. Многослойное соединение выполняют после полного охлаждения металла, зачистки и обезжиривания предыдущих швов. Защита аргоном рекомендуется также со стороны подкладки.

Хорошие результаты дает полуавтоматическая сварка плавящимсяэлектродом в среде аргона на постоянном токе обратной полярности.

Сварка титана и его сплавов

Титан обладает высокой прочностью до температур 450–500 °C при малой плотности, высокой коррозионной стойкостью. Технический титан содержит примеси, в том числе газы – кислород, азот и водород, которые в различной степени повышают прочность и снижают пластичность и вязкость металла. В сварных швах они вызывают образование холодных трещин.

Особенности сварки титана – необходимость надежной защиты зоны сварки и обратной стороны корня шва от вредного воздействия атмосферного воздуха, обеспечения в процессе сварки минимального времени нагрева свариваемых деталей. Дополнительные затруднения при сварке создает большая склонность титана к росту зерна при нагреве до температур выше 880 °C и парообразование.

Качество сварных соединений во многом определяется технологией подготовки кромок деталей и титановой проволоки под сварку. Оксидно-нитридную пленку, которая образуется после горячей обработки полуфабрикатов, удаляют с помощью механической обработки и последующего травления металла в течение 5–10 мин при 60 °C в смеси 350 мл соляной кислоты, 50 г фтористого натрия и 650 мл воды.

Ручную сварку вольфрамовым электродом выполняют постоянным током прямой полярности с использованием специальных приспособлений, позволяющих защитить зону сварки, остывающие участки шва и околошовную зону, а также корень шва. Защиту корня шва можно осуществить плотным поджатием кромок свариваемых деталей к медной или стальной подкладке, подачей инертного газа в подкладку с отверстиями или изготовленную из пористого материала.

Сварку ведут без колебательных движений горелки, на короткой дуге, углом вперед. Угол между электродом и присадочным материалом поддерживают в пределах 90°, подачу присадочной проволоки осуществляют непрерывно. После окончания сварки или обрыва дуги аргон должен подаваться до тех пор, пока металл не остынет примерно до 400 °C.

Ориентировочные режимы ручной дуговой сварки титана вольфрамовым электродом приведены в табл. 47.

Для титана и его сплавов толщиной 0,5–2,0 мм применяют ручную и механизированную импульсно-дуговую сварку неплавящимся электродом. Сварку выполняют импульсами постоянного тока прямой полярности.

Особенности MIG/MAG-сварки различных материалов

Нелегированные и низколегированные стали. Такие стали хорошо свариваются сваркой MAG в среде газовых смесей М1, М2, М3 или в среде чистого CO₂. Исключение составляют высокоуглеродистые марки с содержанием углерода около 0,45 %. Из-за сильного провара металл шва при смешивании получает относительно много углерода, что угрожает возникновением горячих трещин. Средством против этого могут служить любые способы, уменьшающие провар: низкие значения силы тока, сваривание с несколько опережающим протеканием металла шва и т. п.

Порообразование у нелегированных и низколегированных сталей происходит большей частью из-за азота. Он может выделяться во время перемешивания при сварке сталей с высоким содержанием азота, например нитрированных сталей. Однако большей частью азот проникает из воздуха вследствие негерметичности колокола защитного газа. Надежную защиту обеспечивают правильно заданное количество защитного газа, а также отсутствие завихрений в потоке защитного газа, вызываемых, например, брызгами, попавшими в сопло, или нестабильностью процесса. Диоксид углерода менее восприимчив к этому виду порообразования, чем газовые смеси. У смесей восприимчивость снижается с увеличением доли СО₂.

Высоколегированныестали и никелевые сплавы. В качестве защитного газа для высоколегированных сталей используются смеси аргона и кислорода с содержанием кислорода 1–5 % или аргон с содержанием СО₂ до 2,5 %. При сваривании антикоррозионных сталей серьезной проблемой являются оксидные пленки, остающиеся на шве и рядом с ним после сваривания. Их следует полностью удалить с помощью щетки, облучения либо травления до того, как изделие пойдет в эксплуатацию, так как они снижают антикоррозионную защиту.

Смеси с содержанием углекислоты в этом отношении несколько лучше смесей с содержанием кислорода. Однако доля диоксида углерода в защитном газе не должна быть слишком большой, так как разлагающийся в дуге газ ведет к насыщению металла шва углеродом и, как следствие, к снижению антикоррозионной защиты. Максимально допустимое содержание СО_2–5 %.

При сваривании антикоррозионных сталей следует избегать любого перегрева, так оно может привести к охрупчиванию и снижению антикоррозионной защиты из-за выделения карбида хрома. Поэтому процесс ввода тепла должен постоянно контролироваться, кроме того, следует делать паузы, чтобы изделие могло остыть. Для материалов группы полноаустенитных сталей рекомендована «холодная» сварка для предотвращения появления горячих трещин. Так как аустенитные стали не становятся хрупкими под воздействием водорода, для повышения мощности (увеличения скорости сваривания) к аргону можно примешать водород, но не более 7 % из-за возможности порообразования. Двухслойные стали, обладающие двойной структурой из аустенита и феррита, напротив, больше тяготеют к образованию трещин под воздействием углерода. Никелевые сплавы технологией MIG свариваются, как правило, в среде аргона. У чистого никеля и некоторых сплавов небольшие добавки водорода могут снизить поверхностные напряжения и улучшить этим рисунок шва.

Алюминийи его сплавы. Как правило, в качестве защитного газа при сварке MIG алюминиевых материалов используется аргон. Из-за высокой теплопроводности алюминия особенно эффективны в этом случае добавки гелия, который улучшает теплопроводность и содержание тепла в атмосфере защитного газа. Это ведет к более глубокому и широкому провару.

Если глубокий провар не нужен, например при сваривании тонких листов, процесс сварки при той же форме провара можно вести быстрее. Из-за высокой теплопроводности алюминия изделия с более толстым сечением можно предварительно нагревать. Это не только обеспечивает надежность провара, но и снижает риск порообразования, так как металл шва имеет больше времени для дегазации при застывании. При использовании защитных газов с содержанием гелия – его доля составляет обычно 25 или 50 % – предварительное нагревание можно сократить, а при более тонких стенках от него можно и совсем отказаться. Благодаря этому высокая цена газов, содержащих гелий, частично оправдывается.

Особенность MIG-сварки алюминия в том, что она проводится под действием постоянного тока обратной полярности.

При сварке MIG сложностей с удалением тугоплавкой оксидной пленки на сварочной ванне нет: на горелку c электродом подключается «—», а на деталь – «+». Это обеспечивает разрушение поверхностного слоя алюминия (происходит так называемая катодная очистка) и плавление детали. Необходимо помнить, что этот метод будет эффективным только в случае небольшой толщины защитной пленки. Так что в любом случае рекомендуется непосредственно перед свариванием удалить пленку с помощью скребка или щетки, так как пленка гигроскопична и из нее в металл шва может проникнуть водород.

Водород – это единственная причина порообразования при MIG-сварке алюминиевых материалов. В жидком состоянии алюминий обладает относительно высокой способностью растворять водород, а в твердом алюминии этот газ практически не растворяется. Поэтому, если порообразование недопустимо, весь водород, проникший в металл при сварке, должен быть удален до застывания. Это не всегда возможно, прежде всего у изделий большой толщины. Поэтому в толстых изделиях из алюминия невозможно добиться швов, совершенно не имеющих пор.

Алюминиево-магниевый сплав и силумины склонны к образованию при сварке горячих трещин, если содержание кремния составляет примерно 1 %, а содержание магния – около 2 %. Этой области легирования следует избегать с помощью соответствующей присадки. Чаще всего проволочный электрод, чье легирование на один уровень выше, чем легирование сплава изделия, лучше, чем электрод с таким же легированием.

MIG-сварка алюминия может проводиться в разных пространственных положениях детали. Если сварка выполняется в вертикальном положении, то горелку нужно двигать сверху вниз. Это обязательное правило, в противном случае шов не удастся. Сопло должно быть направлено несколько вверх. Вертикальные изделия нужно сваривать быстро, чтобы расплавленный металл не успевал стекать вниз.

Режимы полуавтоматической сварки плавящимся электродом алюминия в аргоне для металла толщиной 3 мм: диаметр электрода – 0,8 мм, сварочный ток – 120–145 А, скорость подачи проволоки – 900 м/ч, скорость сварки – 30 м/ч, расход аргона – 15–17 л/мин.

Прочие материалы. Кроме вышеназванных материалов, достаточно часто сваркой MIG свариваются также медь и медные сплавы. Из-за высокой теплопроводности чистая медь должна быть предварительно сильно нагрета во избежание дефектов сцепления.

Металл шва из бронзовой проволоки, например из алюминиевой или оловянной бронзы, обладает хорошими антифрикционными свойствами. Поэтому он используется для наплавки на поверхности скольжения. При таких работах на железных материалах провар должен поддерживаться небольшим с помощью соответствующих мер, так как железо обладает лишь незначительной растворимостью в меди. Оно включается в металл шва в виде шариков и снижает эксплуатационные характеристики. Схожие условия действуют и при пайке MIG. Эта технология используется, например, для соединения оцинкованных листов в автомобилестроении. В качестве присадки используются проволочные электроды из кремнистой или оловянной бронзы. Благодаря низкой точке плавления этих бронз снижается испарение цинка. Возникает меньше пор, а защитное цинковое покрытие сохраняется и рядом со швом, и на обратной стороне. Здесь тоже следует избегать проникания провара в стальной материал, а сцепление должно осуществляться, как и при высокотемпературной пайке, исключительно благодаря силам диффузии и адгезии. Это достигается правильной настройкой сварочных параметров и особенным положением горелки, благодаря которому дуга горит только на жидкой сварочной ванне.