Технология сварки сталей, чугуна, алюминия, меди и их сплавов

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ СТАЛЕЙ

Технология сварки углеродистых сталей

В углеродистых конструкционных сталях, широко используемых в машиностроении, судостроении и др., содержание углерода обычно составляет 0,06 - 0,9 %. Углерод является основным легирующим элементом и определяет механические свойства этой группы сталей. Повышение его содержания в стали усложняет технологию сварки и затрудняет возможности получения равнопрочного сварного соединения без дефектов.

По степени раскисления сталь изготавливают кипящей, полуспокойной и спокойной (соответствующие индексы «кп», «пс» и «сп»).

Низкоуглеродистые стали, содержание углерода в которых не превышает 0,25 %, хорошо свариваются в широком диапазоне режимов сварки независимо от толщины свариваемых элементов и температуры воздуха.

Сталь обыкновенного качества поставляют без термообработки в горячекатанном состоянии. Изготовленные из нее конструкции обычно не подвергают последующей термообработке. Эта сталь поставляется по ГОСТ 380-71 - на сталь углеродистую обыкновенного качества, ГОСТ 5520-69 - на сталь для котлостроения, ГОСТ 5521-76 - на сталь для судостроения.

Углеродистую сталь обыкновенного качества подразделяют на три группы. Сталь группы А для производства сварных конструкций не используют. Сталь группы Б поставляют по химическому составу, а группы В по химическому составу и механическим свойствам. Обычно для ответственных конструкций используют сталь группы В.

В зависимости от степени раскисления стали, содержания углерода, а также условий сварки и требований, предъявляемых к металлу шва, для сварки углеродистых сталей применяют электроды с кислым, основным, рутиловым и целлюлозным покрытиями. Во всех случаях стержень электродов изготавливают из сварочной проволоки Св-08 и Св-08А, а легирующие элементы (раскислители) вводят в сварочную ванну через покрытие.

Тип и марку электрода выбирают, руководствуясь следующими требованиями: обеспечение равнопрочности сварного соединения с основным металлом; отсутствие в швах дефектов; получение необходимого химического состава металла шва; обеспечение стойкости сварных соединений в условиях вибрационных и ударных нагрузок, при пониженных или повышенных температурах.

При выборе электродов учитывают назначение сварного изделия, степень его ответственности. В зависимости от степени ответственности свариваемого изделия используют электроды типов Э42 (ответственные) и Э42А (особо ответственные) марок ОММ-5, СМ-5, ЦМ-7, ОМА-2, УОНИ-13/45, СМ-11 и др.) электродами типа Э42 и Э42А.

С целью повышения прочности наплавленного металла и сварных соединений при сварке изделий из толстых листов (10 мм и более) в неудобных для сварщика положениях, в монтажных условиях, на строительных площадках применяют электроды типов Э46 и Э46А (АНО-3, МР-3, ОЗС-3, ОЗС-4 и др.) Прокалку электродов перед сваркой следует производить при температуре, указанной в паспорте.

Повышенное содержание углерода (0,26 - 0,45 % - среднеуглеродистые, более 0,46 % - высокоуглеродистые) затрудняет сварку этих сталей вследствие низкой стойкости шва к образованию кристаллизационных трещин, образованию при сварке малопластичных закалочных структур, а также вследствие необходимости обеспечения равнопрочности металла шва с основным металлом.

Общим подходом к преодолению этих трудностей является снижение содержания в металле шва углерода и осуществление сварки с предварительным подогревом. Поэтому при ручной дуговой сварке средне- и высокоуглеродистых сталей сварка ведется с минимальным проплавлением основного металла с использованием сварочных материалов с меньшим содержанием углерода, чем свариваемый металл.

Надежным способом достижения равнопрочности сварного соединения при низком процентном содержании углерода является дополнительное легирование металла шва кремнием и марганцем.

Средне- и высокоуглеродистые стали свариваются электродами УОНИ-13/45, УОНИ-13/55, УОНИ-13/65, ОЗС-2, К-5А, АНО-7, АНО- 8 и т. д.

Технология сварки легированных сталей

Низколегированные стали. Низколегированные конструкционные стали делятся на низкоуглеродистые, теплоустойчивые и среднеуглеродистые. В сталях этой группы содержание углерода не превышает 0,25 %, а легирующих элементов 2 - 5 %. В зависимости от легирования низкоуглеродистые стали подразделяют на марганцовистые (14Г, 14Г2), кремнемарганцовистые (09Г2С, 10Г2С1, 14ГС и др.), хромокремнемарганцовистые (14ХГС и др.), хромокремненике- лемедистые (10ХСНД, 15ХСНД и др.).

Низколегированные теплоустойчивые стали обладает повышенной прочностью в условиях высоких температур эксплуатации. Они наиболее широко применяются при изготовлении металлических конструкций энергетических установок.

Низколегированные среднеуглеродистые стали (более 0,25 % углерода) (17ГС, 18Г2АФ, 35ХМ и др.) используют обычно в термообработанном состоянии.

Особенности сварки низколегированных сталей. Эти стали свариваются труднее, чем низкоуглеродистые. При сварке могут образовываться закалочные структуры, возможен перегрев (рост зерен) в зоне термического влияния. Для предупреждения образования закалочных структур применяют подогрев изделия, многослойную сварку с малым интервалом времени между наложениями слоев металла в шов и др.

Покрытые сварочные электроды подбирают так, чтобы содержание углерода, серы, фосфора в них было низкое.

Низколегированные низкоуглеродистые стали 09Г2, 09Г2С, 10ХСНД, 10Г2С1 и 10Г2Б при сварке покрытыми электродами не закаливаются и мало склонны к перегреву. Сварка этих сталей аналогична сварке низкоуглеродистых сталей. Для обеспечения равно- прочности при сварке используют электроды типов Э46А и Э50А. Изделие перед сваркой не подогревают. Твердость и прочность околошовной зоны и основного металла практически не различаются.

При выполнении соединений из низколегированных низкоуглеродистых сталей 12ГС, 14Г, 14Г2, 14ХГС, 15ХСНД, 15Г2Ф, 15Г2СФ режим сварки необходимо подбирать так, чтобы не было закалочных структур и сильного перегрева металла. Для предупреждения перегрева сваривать стали 15ХСНД и 14ХГС следует при малой силе сварочного тока электродами меньшего диаметра (по сравнению со сваркой низкоуглеродистых сталей). Равнопрочность сварного соединения при сварке сталей 15ХСНД и 14ХГС достигается применением электродов типа Э50А или Э55. Сварку ведут электродами диаметром 4 - 5 мм в несколько слоев, а при толщине стали более 15 мм швы выполняют «каскадом» или «блоками», при этом не слишком разогревают металл, чтобы не перегреть зону термического влияния.

Для сварки низколегированных сталей повышенной и высокой прочности, как правило, применяют электроды с основным покрытием. В зависимости от свойств свариваемой стали используют электроды типа Э42А (марки УОНИ-13/45, СМ-11 и др.), типа Э46А (марки Э-138/45Н для сталей 09Г2, 10ХСНД, 15ХСНД и др.), типа Э50А (марки УОНИ-13/55, ДСК-50 и другие для сталей 14ХГС, 10ХСНД, 15ХСНД и др.), типа Э55 (марки УОНИ-13/55У для сталей 18Г2С, 25ГС, 15ГС и др.).

Для некоторых сталей типа 09Г2 используют также электроды с покрытием рутилового типа Э42 (например, электроды марки АНО-1).

Дефектные участки следует подваривать швами нормального сечения длиной не более 100 мм или предварительно подогревать до 150 - 200 °С.

При сварке термоупрочненных сталей для уменьшения разупрочнения металла в околошовной зоне рекомендуется сварка длинными швами по охлажденным предыдущим швам. Режим сварки следует выбирать такой, чтобы швы выполнялись с малой погонной энергией.

Свариваемые металлы (стали, сплавы) могут иметь одинаковые и различные химический состав и свойства. В первом случае это однородные по химическому составу и свойствам металлы, во втором - разнородные.

Среднелегированные стали

(содержание легирующих элементов 5 - 10 %) применяют для изготовления конструкций, работающих при низких или высоких температурах, при ударных и знакопеременных нагрузках, в агрессивных средах и других тяжелых условиях. Их разделяют на теплоустойчивые, высокопрочные и др.

Для обеспечения требуемого качества сварных соединений необходимо выполнение ряда технологических приемов.

- В деталях из высокопрочной легированной стали должны быть предусмотрены плавные переходы при соединении элементов и изменении сечений, плавные закругления угловых соединений и другие конструктивные формы, устраняющие концентрацию напряжений.

- Сборку элементов рекомендуется производить в сборочных приспособлениях, обеспечивающих свободную усадку швов и сохранение при этом размеров конструкций.

- Сварные швы выполняют с предварительным и сопутствующим подогревом, если прочность сварного соединения должна быть не ниже прочности основного металла. Листовые конструкции толщиной до 3 мм и менее сваривают без подогрева, при большей толщине используется подогрев. Например, для сталей ЗОХГСА, 25ХГСА температура подогрева составляет 200 - 300 °С. Для того чтобы избежать перегрева, применяют сварку на малой погонной энергии (пониженное тепловложение). После сварки соединение подвергают термообработке - высокому отпуску.

- Сварные швы выполняют без предварительного и сопутствующего подогрева, если к сварному соединению не предъявляются требования прочности, близкой прочности основного металла. При этом сварку швов ведут электродами, обеспечивающими получение аустенитного металла шва. В этом случае последующую термообработку не производят.

При сварке среднелегированных сталей могут образовываться закалочные структуры, холодные трещины, возможен перегрев металла околошовной зоны. Чем выше содержание углерода и легирующих примесей, толще металл, тем хуже свариваемость этих сталей.

Среднелегированные стали сваривают покрытыми электродами с основным покрытием постоянным током обратной полярности.

В зависимости от требований, предъявляемых к металлу шва, используют электроды, обеспечивающие получение среднелегированного металла шва. К ним относятся электроды марок УОНИ-13/85 (типа Э85), ВИ-10-6 (типа Э100), НИАТ-ЗМ (типа Э125), НИАТ-3 (типа Э150) и электроды, обеспечивающие получение аустенитного металла шва, например марки НИАТ-5 (типа Э-11Х15Н25М6АГ2).

Швы выполняются многослойным, каскадным или блочным способом с малыми интервалами времени между наложением слоев. Подогрев металла выше 150 °С снижает вероятность образования закалочных структур и трещин. Электроды перед сваркой прокаливают. Кромки металла следует тщательно защищать от влаги, ржавчины, органических и других загрязнений.

Стали 20ХГСА, 25ХГСА, ЗОХГСА, ЗОХГСНА сваривают электродами марок ЦЛ-18-63, ЦЛ-30-63, НИАТ-ЗМ, ЦЛ-14, УОНИ-13/85 предельно короткой дугой. После сварки соединения подвергают термической обработке - закалке при температуре 880 °С и низкому отпуску с целью обеспечения высокой прочности.

Сварка теплоустойчивых сталей. Теплоустойчивые стали предназначены для изготовления деталей, работающих в условиях высоких температур (400 - 600 °С) и при давлении газа или пара до 30 МПа. Эти стали имеют склонность к образованию трещин в зоне термического влияния. Поэтому требуется предварительный подогрев до 200 - 400 °С и последующая термообработка (отпуск) по режиму: нагрев изделия до 710 °С, выдержка при этой температуре не менее 5 мин на 1 мм толщины металла с последующим медленным охлаждением. Иногда эти стали отжигают при температуре 670 - 800 °С.

Изделия из сталей 12МХ и 20МХЛ, работающие при температуре до 850 °С, сваривают электродами марки ЦЛ-14. Сварку выполняют с предварительным подогревом изделия до 200°С для стали 12МХ и до 300 °С - для стали 20МХЛ. После сварки применяют высокий отпуск при температуре 710 °С.

Изделия из сталей 34ХМ и 20Х3МВФ, работающие при температуре до 470 °С, сваривают электродами марки ЦЛ-30-63. Сварку выполняют с предварительным и сопутствующим подогревом изделия до 350 °С - 400 °С. Сварные соединения подвергаются отпуску при температуре 600 °С.

Изделия из сталей 20ХМФ, 20ХМФЛ, 12Х1М1Ф, работающие при температуре до 570 °С, сваривают электродами марки ЦЛ-20-63 короткой дугой с предварительным и сопутствующим подогревом до 350 °С. После сварки рекомендуется высокий отпуск при 700 - 740 °С в течение 3 ч.

Сварку теплоустойчивых сталей покрытыми электродами производят на тех же режимах, что и сварку низколегированных конструкционных сталей. При этом необходимо полностью проварить корень шва, для чего первый слой выполняют электродами диаметром 2 - 3 мм. Большинство электродов предназначено для сварки постоянным током обратной полярности. Техника сварки теплоустойчивых сталей аналогична технике сварки низкоуглеродистых сталей. Многослойную сварку выполняют каскадным способом (без охлаждения каждого слоя выполненного шва).

Сварка высокопрочных сталей. При изготовлении ответственных сварных конструкций широко применяют высокопрочные стали 14Х2ГМРБ, 14Х2ГМРЛ, 14Х2ГМ и 12ГН2МФАЮ.

Основная трудность при сварке этих сталей - необходимость предотвращения образования в металле шва и зоны термического влияния холодных трещин, а также структур, резко снижающих сопротивляемость сварных соединений хрупкому разрушению. Решение задачи усложняется тем, что требуемые эксплуатационные и технологические свойства сварные соединения должны приобретать после сварки без дополнительной термообработки.

Для повышения стойкости сварных соединении из высокопрочных сталей к образованию холодных трещин необходимо перед сваркой обязательно прокаливать электроды с целью удаления влаги. Следует также соблюдать определенные условия подготовки к сварке и выполнения соединений.

Ручную сварку высокопрочных сталей выполняют электродами марки ЭА-981/15. Эти электроды технологичны при сварке во всех пространственных положениях. Сварку ведут постоянным током обратной полярности. Сила сварочного тока зависит от диаметра электрода и положения шва. Например, сварку в нижнем положении электродом диаметром 4 мм производят при силе сварочного тока 150 - 200 А. Перед сваркой электроды прокаливают при температуре 420 - 450 °С.

Перед сваркой поверхности деталей и места наложения швов зачищают до полного удаления ржавчины, окалины, краски, масла, влаги и других загрязнений. Зачистку производят на участке, равном ширине шва плюс 20 мм в каждую сторону.

При выполнении соединений необходимо предотвращать попадание влаги в зону сварки и не допускать быстрого охлаждения сварных соединений.

Сборку деталей под сварку часто производят прихватками. Прихватки длиной 50 - 100 мм выполняют электродами марок УОНИ- 13/45А или ЭА-981/15. Расстояние между прихватками не должно превышать 400 - 500 мм. Не следует устанавливать их в местах пересечения швов. Перед сваркой прихватки нужно тщательно очистить и проверить. Сварку необходимо начинать и заканчивать на технологических (выводных) планках, приваренных к изделию. Кроме того, следует создавать плавные переходы от шва к основному металлу.

Для предотвращения образования холодных трещин при сварке соединений большой толщины и жесткости следует применять предварительный подогрев. Как правило, его назначают при сварке металла толщиной свыше 20 мм. Температура подогрева 60 - 150 °С.

Стойкость сварных соединений к образованию холодных трещин можно повысить, применяя технологию сварки с мягкими прослойками. Этот технологический прием заключается в том, что первые слои многослойного шва выполняют менее прочным и пластичным металлом по сравнению с последующими. Иногда пластичные швы в один-два слоя накладывают в процессе заполнения разделки кромок. Для выполнения мягких слоев могут быть использованы электроды марки УОНИ-13/45.

При двусторонней сварке стыковых соединений первый шов рекомендуется накладывать со стороны, противоположной прихваткам. После наложения каждого валика металл шва и околошовную зону тщательно зачищают от шлака и брызг металла. При обрыве дуги необходимо тщательно зачистить кратер от шлака и только после этого снова возбуждать дугу.

После завершения сварочных работ в монтажных условиях сварные соединения необходимо укрыть асбестовой тканью или мотками с песком для медленного охлаждения.

Высоколегированные стали и сплавы.

К высоколегированным относят стали, содержание в которых одного или нескольких легирующих элементов составляет 10 - 15 %.

В соответствии с ГОСТ 5632-72 насчитывается 94 марки высоколегированных сталей и 22 марки высоколегированных сплавов.

Высоколегированные стали и сплавы классифицируют по системе легирования, структуре, свойствам и другим признакам.

По системе легирования высоколегированные стали делят на хромистые, хромоникелевые, хромомарганцевые, хромоникелемар- ганцевые и хромомарганцеазотистые.

По структуре высоколегированные стали подразделяют на стали мартенситного (15X5,              15Х5М и др.), мартенситно-ферритиого

(15Х6СЮ, 12X13 и др.), аустенитно-мартенситного (07Х16Н6, 08Х17Н5МЗ и др.), аустенитно-ферритиого (08Х20Н14С2 и др.) и аустенитного классов (03Х17Ш4М2, 12Х18Н9 и др.).

По свойствам высоколегированные стали и сплавы бывают коррозионно-стойкие (нержавеющие), жаростойкие и жаропрочные.

Особенности сварки высоколегированных сталей и сплавов. Большинство высоколегированных сталей и сплавов по сравнению с низкоуглеродистыми сталями обладает более низким (в 1,5 - 2 раза) коэффициентом теплопроводности и более высоким (примерно в 1,5 раза) коэффициентом линейного расширения. Низкий коэффициент теплопроводности приводит к концентрации теплоты при сварке и вследствие этого к увеличению проплавления металла, а высокий коэффициент линейного расширения к большим деформациям свариваемых изделий.

Эти стали склонны к образованию горячих и холодных трещин при сварке, что усложняет процесс обеспечения качества сварных соединений с требуемыми свойствами. В связи с этим при сварке изделий из этих материалов предусматривают выполнение определенных требований. Обычно сварку ведут на повышенной скорости и на малой силе сварочного тока для получения минимальной зоны разогрева. Высоколегированные стали и сплавы более склонны к образованию трещин, чем низкоуглеродистые. Пути предотвращения трещин при сварке: создание в металле шва двухфазной структуры (аустенит и феррит), ограничение в шве содержания вредных примесей (серы, фосфора, свинца, сурьмы, висмута), применение электродных покрытий основного и смешанного видов; уменьшение жесткости свариваемых узлов.

Для получения сварных соединений без трещин рекомендуется свариваемые детали собирать с определенным зазором. Швы лучше выполнять электродами диаметром 1,6 - 2,0 мм при минимальной погонной энергии.

Подогрев (общий или местный) до температуры 100 - 300 °С рекомендуется в зависимости от характера структуры основного металла, содержания углерода, толщины свариваемых элементов и жесткости изделия. Для мартенситных сталей и сплавов подогрев изделия обязателен, для аустенитных сталей он применяется редко.

При дуговой сварке высоколегированных сталей поверхности следует предохранять от брызг металла и шлака, так как они могут быть причиной коррозии или концентрации напряжений, ослабляющих конструкцию. Чтобы не было приваривания брызг, на поверхность металла, прилегающего к шву, наносят защитное покрытие.

Требования к качеству сборки и очистки металла перед сваркой достаточно жесткие.

После сварки мартенситные, мартенситно-ферритные, а иногда и ферритные стали подвергают высокому отпуску при температуре 680 - 720 оС, а жаропрочные (12X13, 20X13 и др.) - при 730 - 750 °С. Отпуск улучшает структуру, механические свойства и коррозионную стойкость.

Для сварки мартенситных, мартенситно-ферритных и ферритных сталей применяют электроды, стержни и покрытия которых обеспечивают получение наплавленного металла, близкого по химическому составу к основному металлу. Например, мартенситную сталь 15Х11ВМФ сваривают электродами типа Э12Х11НВМФ марки КТИ-10; мартенситно-ферритную сталь 12X13 - электродами типа Э12Х13 марки УОНИ-13/1Х13 и т. д.

Если конструкции из стали этого класса работают на статическую нагрузку и к швам не предъявляются требования высокой прочности, сварку можно выполнять аустенитными или аустенитноферритными электродами. Так, ферритную сталь 15X25T сваривают электродами типа Э02Х20Н14Г2М2 марки ОЗЛ-20, при этом отпуск после сварки можно не проводить.

Для предотвращения роста зерна и повышения хрупкости зоны термического влияния при сварке таких сталей используют режим с малой погонной энергией.

К высоколегированным хромоникелевым сталям относятся стали аустенитного,              аустенитно-мартенситного              и аустенитно

ферритного классов. Эти стали и сплавы содержат мало вредных примесей, поэтому основные требования при сварке - хорошая защита расплавленного металла от воздуха и применение электродов со стержнем, имеющим аустенитную структуру и покрытие основного типа.

Сварка аустенитных сталей не вызывает особых затруднений. Надо иметь в виду, что в сварных соединениях аустенитноферритных и аустенитно-мартенситных сталей возможно выделение водорода по границам зерен. Для предупреждения этого сварное соединение подвергают отпуску в течение 1 - 2 ч при температуре 150 °С.

ГОСТ 10051-75 предусматривает 49 типов покрытых электродов для ручной дуговой сварки высоколегированных сталей. Каждый тип электрода включает одну или несколько марок электродов.

Технология сварки чугуна, цветных металлов и сплавов

Сварка чугуна

Широко применяемые марки чугунов содержат 2,5 - 4 % углерода, 1 - 5 % кремния, до 2 % марганца, а также примеси фосфора и серы.

Чугун относится к материалам, обладающим плохой технологической свариваемостью. Основные трудности при сварке обусловлены высокой склонностью его к отбеливанию, т. е. появлению участков с выделениями цементита, а также образованию трещин в шве и околошовной зоне. Кроме того, чугун имеет низкую по сравнению со сталью температуру плавления (1200 - 1250 °С) и быстро переходит из жидкого состояния в твердое. Это вызывает образование пор в шве, поскольку интенсивное выделение газов из сварочной ванны продолжается и на стадии кристаллизации.

Повышенная жидкотекучесть чугуна затрудняет удержание расплавленного металла от вытекания и усложняет формирование шва. Вследствие окисления кремния на поверхности сварочной ванны возможно образование тугоплавких оксидов, что может привести к непроварам.

При выборе способа сварки чугуна необходимо учитывать следующие особенности:

- высокая его хрупкость при неравномерном нагреве и охлаждении может вызывать появление трещин в процессе сварки;

- ускоренное охлаждение приводит к образованию отбеленной прослойки в околошовной зоне и затрудняет его дальнейшую механическую обработку;

- сильное газообразование в жидкой ванне может вызывать пористость сварных швов;

- высокая жидкотекучесть чугуна обусловливает необходимость в ряде случаев подформовки.

Чугунные детали, работающие длительное время при высоких температурах, почти не поддаются сварке. Это происходит в результате того, что под действием высоких температур (300 - 400 °С и выше) углерод и кремний окисляются, и чугун становится очень хрупким. Чугун, содержащий окисленный углерод и кремний, называют горелым.

Плохо свариваются также чугунные детали, работающие длительное время в соприкосновении с маслом и керосином. Поверхность чугуна пропитывается маслом и керосином, которые при сварке сгорают и образуют газы, способствующие появлению сплошной пористости в сварном шве.

Способы сварки чугуна.

Сварку чугуна применяют при ремонтно-восстановительных работах и для изготовления сварно-литых конструкций. Чугун сваривают преимущественно при устранении дефектов литья в чугунных отливках до и после механической обработки, а также при ремонте деталей.

К сварным соединениям чугунных деталей в зависимости от условий эксплуатации предъявляются различные требования - от декоративной заварки наружных дефектов до получения соединений, равнопрочных с основным металлом.

Чугун можно сваривать дуговой сваркой металлическим или угольным электродом, порошковой проволокой, газовой сваркой и другими способами.

Наиболее часто способы сварки чугуна классифицируют по состоянию свариваемой детали. В зависимости от температуры предварительного подогрева различают сварку с подогревом (горячую сварку) и без подогрева (холодную сварку).

Горячую дуговую сварку чугуна применяют в случаях, когда металлом шва должен быть чугун, по своим свойствам приближающийся к свойствам основного металла детали.

Холодную дуговую сварку чугуна выполняют на обрабатываемых и обработанных поверхностях деталей, когда дефекты литья незначительны или средних размеров, когда они несквозные или сквозные, но небольшой протяженности и, наконец, когда наплавляемый металл не предусмотрен в виде чугуна. При холодной сварке свариваемые детали не подвергают предварительному нагреву.

Горячая сварка чугуна.

Технологический процесс состоит из механической обработки под сварку, формовки свариваемых деталей, предварительного подогрева, сварки и последующего медленного охлаждения.

Подготовка под сварку дефектного места заключается в тщательной его очистке от загрязнений и в разделке свариваемых кромок.

При сварке сквозных трещин или заварке дефектов, находящихся на краю деталей, необходимо применять графитовые формы, предотвращающие вытекание жидкого металла из сварочной ванны. Формы изготавливают из графитовых пластинок, скрепляемых формовочной массой, которая состоит из кварцевого песка, замешанного на жидком стекле.

Детали и чугунные отливки нагревают до температуры 300 - 700 °С (в зависимости от формы детали, дефекта, способа сварки). Сварку выполняют чугунными электродами или порошковой проволокой. Подогрев необходим для того, чтобы после сварки происходило равномерное охлаждение всего изделия и не образовывались трещины.

Детали нагревают в специальных печах или с помощью индукционных нагревателей. Для ручной дуговой сварки используют плавящиеся электроды марок ЦЧ-4, ЭВЧ-1, МНЧ-2, ОЗЧ-2 и др.

Горячую сварку чугуна выполняют на большой силе сварочного тока без перерывов до конца заварки дефекта при большой сварочной ванне. Так, для сварки электродом диаметром 8 мм требуется ток 600 А, а диаметром 12 мм - ток 1000 А. Используют электрододержатель, имеющий защиту руки сварщика от теплового излучения.

Сварка угольным электродом ведется постоянным током прямой полярности: для электродов диаметром 8 - 20 мм используются соответственно токи 280 - 600 А. Во время сварки следует непрерывно поддерживать значительный объем расплавленного металла в сварочной ванне и тщательно перемешивать его концом электрода или присадочного стержня. Для медленного охлаждения заваренные детали засыпают мелким древесным углем или сухим песком. Остывание массивных деталей может длиться 3 - 5 суток.

Основными недостатками горячей сварки чугуна являются большая трудоемкость процесса и тяжелые условия труда сварщиков.

Холодная сварка чугуна.

Сварка чугуна без подогрева изделия применяется шире, чем с подогревом. Подготовка поверхности дефектов к заварке заключается в сверлении, зачистке, фрезеровании и т. д. до получения чистой поверхности основного металла.

При сварке без предварительного нагрева дефекты, расположенные друг от друга на расстоянии более чем 20 мм, вырубают или высверливают порознь, при более близком расположении - производят сплошную вырубку дефектного участка. Разделка кромок зависит от толщины детали. При глубине дефекта 5 - 7 мм вырубают фаску с углом раскрытия 70 - 80 град. В местах, доступных для сварки с двух сторон, производят Х-образную разделку кромок.

На практике используют несколько разновидностей холодной сварки: стальными, медно-стальными, медно-никелевыми, железоникелевыми, никелевыми и другими электродами.

Применяя медно-никелевые (марки МНЧ-2) и медно-стальные (марки ОЗЧ-2) электроды, получают наплавленный металл, легко поддающийся механической обработке. Наплавку образуют однослойной или многослойной укладкой валиков.

Стальные электроды марки ЦЧ-4 (на основе проволоки из низкоуглеродистой стали с карбидообразующим покрытием) применяют при ремонте неответственных чугунных изделий небольших размеров с малым объемом наплавки, не требующих после сварки механической обработки.

Сварку стальными электродами с защитно-легирующими покрытиями выполняют с V- или Х-образной разделкой кромок. Для устранения неравномерного разогрева детали сваривают отдельными участками вразбивку. Длина этих участков сварного шва не должна превышать 100 - 120 мм. После сварки участкам дают возможность остыть до температуры 60 - 80 °С. Наилучшие результаты получают при сварке электродами с покрытием марки УОНИ-13/45 постоянным током обратной полярности. Медно-железные электроды применяют для заварки отдельных дефектов или небольших несплошностей, создающих течи на отливках ответственного назначения, в том числе и работающих под давлением. Наиболее совершенные из них - электроды марки ОЗЧ-2, представляющие собой медный стержень диаметром 4 - 5 мм, на который нанесено покрытие, состоящее из смеси электродной обмазки марки УОНИ-13/45 (50 %) и жидкого стекла. При сварке не следует допускать сильного разогрева свариваемых деталей. После сварки легким молотком выполняют проковку наплавленного металла в горячем состоянии. Она уменьшает сварочные напряжения и снижает опасность образования трещин в околошовной зоне. В результате наплавленный металл приобретает высокую пластичность и удовлетворительно обрабатывается.

Медно-никелевые электроды применяют главным образом для заварки литейных дефектов, обнаруживаемых в процессе механической обработки чугунного литья на рабочих поверхностях, где местное повышение твердости недопустимо. В промышленности используются электроды марки МНЧ-1 со стержнем из монель-металла и марки МНЧ-2 со стержнем из константана. Сварку выполняют электродами диаметром 1 - 4 мм ниточным швом короткими участками. При этом не следует допускать перегрева детали, для чего рекомендуются перерывы в работе для охлаждения шва. Наплавленные валики в горячем состоянии следует тщательно проковывать ударами легкого молотка. Положительные свойства электродов заключаются в том, что никель и медь не растворяют углерод и не образуют структур, имеющих высокую твердость после нагрева и быстрого охлаждения. Наплавленный металл обладает низкой твердостью, хорошо обрабатывается.

Сварка алюминия и его сплавов

Температура плавления алюминия 658 °С. Алюминий и его сплавы обладают высокой прочностью, малой плотностью, хорошими антикоррозионными свойствами и подразделяются на деформируемые и литейные. Технически чистый алюминий выпускают марок АД00, АД0, АД1, АД (содержание примесей до 0,3; 0,5; 0,7 и 1,2 % соответственно). Алюминиевые литейные сплавы маркируют, как правило, буквами АЛ и цифрами (номер марки), например: АЛ-2, АЛ-8.

Наиболее широкое применение в сварных конструкциях получили алюминиево-магниевые сплавы АМг, АМг3, АМг5В, АМг6. Алюминиевые сплавы широко применяют в конструкциях, имеющих большие пролеты (мосты, ангары, спортивные сооружения), а также в самолетостроении, судостроении и др.

Дуралюмин - сплав алюминия с медью, магнием, марганцем и некоторыми другими элементами. После закалки и старения дуралюмины приобретают значительную твердость, увеличивается их прочность. При высокой прочности и невысокой плотности дуралюмины являются хорошими конструкционными материалами и широко применяются в технике. Они относятся к деформируемым алюминиевым сплавам. Из них изготавливают прутки, трубы, листы, проволоку методами обработки давлением.

При сварке алюминия и его сплавов возникают следующие затруднения: на поверхности расплавленного металла постоянно образуется тугоплавкая пленка оксида алюминия A1203, препятствующая сплавлению между собой частиц металла; высокая температура плавления оксида алюминия (2050 °С) и низкая температура плавления алюминия осложняют управление процессом сварки. Вследствие этого подготовка деталей из алюминия под сварку и их сварка требуют применения специальных технологических приемов. Алюминий и его сплавы соединяют дуговой и аргонодуговой сваркой.

Подготовка металла к сварке. Независимо от способа сварки алюминиевые изделия перед сваркой должны подвергаться специальной обработке, заключающейся в обезжиривании металла и удалении с его поверхности пленки оксида алюминия. Такой же обработке необходимо подвергать присадочную проволоку и электродные стержни перед нанесением на них покрытия.

Поверхность металла шириной 80 - 100 мм от кромки обезжиривают растворителями (авиационным бензином, техническим ацетоном), затем механической зачисткой или химическим травлением удаляют оксидную пленку. Обезжиривание и травление рекомендуется выполнять не более чем за 2 - 4 ч до сварки.

Технология и техника ручной сварки алюминия угольным электродом. Ручную сварку угольным электродом постоянным током на прямой полярности используют только для неответственных изделий. 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. Оксидную пленку удаляют с помощью флюсов АФ-4А. Пластины собирают встык на подкладке, на кромки наносят кисточкой тонкий слой пасты из флюса, а затем соединение сваривают обычно в два прохода: при первом проходе выполняется прогрев кромок, а при втором - сварка.

Первый проход должен быть выполнен медленным перемещением электрода от середины шва к краям. При этом скорость перемещения должна быть такой, чтобы кромки не расплавлялись, но были на грани расплавления, что контролируется появлением отдельных капель жидкого металла, т. е. небольших очагов расплавления. Прогрев таким образом кромки металла, можно перейти к сварке.

Присадочный пруток, находящийся в левой руке, нужно перемещать вслед за угольным электродом на расстоянии 5 - 10 мм. Плавление прутка достигается погружением его в сварочную ванну.

Технология и техника ручной сварки алюминия покрытыми электродами. Ручную сварку покрытыми электродами применяют в основном при изготовлении малонагруженных конструкций из технического алюминия, сплавов типа АМц и АМг, силумина. Использование постоянного тока обратной полярности и предварительного подогрева (250 - 400 оС, в зависимости от толщины) обеспечивает требуемое проплавление при правильно выбранной силе тока.

В связи с тем, что алюминиевый электрод плавится в 2 - 3 раза быстрее стального, скорость сварки алюминия должна быть соответственно выше. Сварку нужно выполнять непрерывно одним электродом, так как пленка шлака на кратере и конце электрода препятствует повторному зажиганию дуги. Для обеспечения устойчивого процесса при минимальных потерях на разбрызгивание рекомендуется принимать сварочный ток из расчета не более 60 А на 1 мм диаметра электрода. Перед сваркой электроды просушивают при температуре 150 - 200 °С в течение 2 ч.

Покрытия электродов для сварки алюминия и его сплавов состоят из хлористых и фтористых солей щелочных и щелочноземельных металлов, которые при сварке удаляют оксидную пленку. Покрытия делятся на две группы - безлитиевые и литиевые. Безлитиевые покрытия просты по составу, менее гигроскопичны. Литиевые покрытия более дорогие и очень гигроскопичны. Их рекомендуется применять для металла малых толщин, в основном для алюминиевых сплавов, так как при сварке технического алюминия они не всегда обеспечивают получение швов без пористости.

Для сварки алюминия и его сплавов используют покрытия электродов следующих марок: ЭА-1, ЭФ-11Ф1 (технический алюминий); ВАМИ, А1 (сплавы типа АМг и АМц); МАТИ-1, МАТИ-2 (литейные сплавы Ал4, Ал5); МВТУ (сплавы типа АМц); АФ-1 (сплавы типа АМг, АМц); А1, А1Ф (сплавы типа АМц, силумин).

Для сварки алюминия используют электроды марок ОЗА-1 и ОЗА-2. Электроды марки ОЗА-1 со стержнем из проволоки Св-А1 применяют при сварке изделий из технического алюминия. Электроды марки ОЗА-2 со стержнем из сплава Св-АК5 предназначены для сварки, наплавки, а также заварки брака литья на литых сплавах типа Ал (Ал2, Ал4, Ал5, Ал9 и Ал11).

Покрытия электродов марок ОЗА-1 и ОЗА-2 выполнены на основе покрытия ЭА-1 с некоторой корректировкой его состава. В покрытие ЭА-1 входят хлористый натрий (30 %), хлористый калий (40 %), криолит (30 %). Толщина покрытия, например, для электродов диаметром 4 мм составляет 1,0 - 1,1 мм, а для электродов диаметром 8 мм - 1,4 - 1,6 мм.

При хранении электроды могут увлажняться, поэтому перед сваркой их необходимо просушивать при температуре 70 - 100 °С.

Сварка алюминиевыми электродами выполняется постоянным током обратной полярности.

Технология и техника ручной аргонодуговой сварки алюминия неплавящимся вольфрамовым электродом. Ручную аргонодуговую сварку неплавящимся вольфрамовым электродом выполняют переменном током в аргоне высшего или первого сорта. Для металла толщиной до 5 - 6 мм используют электроды диаметром 1,5 - 5 мм.

Присадочной проволокой и прутками марок АК, АМц и другими сваривают деформируемые сплавы.

Диаметр присадочной проволоки при ручной сварке равен 1 - 2, 2 - 4 и 4 - 6 мм для свариваемых толщин до 2, 2 - 5 и 5 - 10 мм соответственно.

Особые требования предъявляются к технике сварки. Угол между присадочной проволокой и электродом должен составлять примерно 90 град. Присадочную проволоку следует подавать короткими возвратно-поступательными движениями. Недопустимы поперечные колебания вольфрамового электрода. Длина дуги обычно не превышает 1,5 - 2,5 мм. Обеспечение эффективной защиты дуги и сварочной ванны для каждого режима сварки достигается оптимальным расходом газа. Для уменьшения опасности окисления размеры сварочной ванны должны быть минимальными. Сварку металла толщиной до 10 мм обычно ведут справа налево, так называемым левым способом, который позволяет снизить перегрев свариваемого металла.

Сварка меди и ее сплавов

Температура плавления меди 1063 °С. В сварных конструкциях применяют медь нескольких марок. Она обладает высокой электропроводностью, теплопроводностью, коррозионной стойкостью, а также хорошо обрабатывается давлением. Медь нечувствительна к низким температурам, для нее характерно сохранение высокой пластичности.

Бронзы - сплавы меди с оловом и другими элементами в основном металле, кроме цинка. Основные группы бронз различают по главному (кроме меди) компоненту сплава: оловянные, марганцевые, алюминиевые и др. Они обладают высокими антикоррозионными, механическими, антифрикционными свойствами, хорошим сопротивлением изнашиванию и т. п. Современные бронзы, например кремнемарганцевая, свинцовоникелевая, алюминиевожелезомарганцевая и другие, содержат, как правило, несколько легирующих компонентов.

Среди других медных сплавов в сварных конструкциях широко используют хромистую бронзу БрХ0,5, марганцевую бронзу БрМц5 и др. Медь также используют в сварных соединениях со сталью. Марки деформируемых бронз состоят из букв Бр, начальных букв русских названий легирующих элементов и ряда чисел, указывающих содержание этих элементов в процентах. Например, марка БрАЖМц10-3- 1,5 означает, что бронза содержит 10 % А1, 3 % Fe и 1,5 % Мп. Литейную бронзу маркируют так: цифра, указывающая содержание элемента, стоит после соответствующей буквы в марке, например БрА11Ж6Н6. В конце некоторых марок литейных бронз имеется буква Л - литейная, если из бронзы этой же марки делают и прокат.

Латуни - сплавы меди, в которых преобладающим легирующим элементом является цинк. Латуни по химическому составу разделяют на простые (состоящие из двух элементов - меди и цинка) и специальные (содержащие кроме меди и цинка другие легирующие элементы: свинец, олово, железо, марганец, алюминий и другие, улучшающие механические характеристики и придающие латуни особые свойства). По технологическому назначению латуни бывают литейные и деформируемые. Механические свойства литейных латуней зависят от способа литья. Механические свойства латуней, полученных обработкой давлением в виде полос, листов, лент, прутков, зависят от состояния материала в период обработки.

Марки деформируемых латуней состоят из буквы Л, начальных букв русских названий легирующих элементов, кроме цинка, и ряда чисел. Первое число - содержание меди, затем содержание легирующих элементов, перечисленных в марке, в процентах, остальное - цинк. Например: Л90 - латунь с 90 % Си, остальное - цинк; ЛАЖ60-1-1 - латунь с 60 % Си, 1 % А1, 1 % Fe, остальное - цинк. Литейные латуни маркируют следующим образом: после буквы Л ставятся обозначения легирующих элементов, начиная с цинка, и сразу же указывается содержание элементов в процентах. При этом единица не ставится. Например, ЛЦ40МцЗЖ - это латунь с 40 % Zn, 3 % Мп, 1 % Fe, остальное - медь.

Медно-никелевые сплавы маркируют так же, как и деформируемые бронзы, но с буквой М в начале марки. Например, МНЖМц30-1-1 - сплав, содержащий 30 % Ni, 1 % Fe, 1 % Мп, остальное - медь.

Сварка меди

.

Сварка меди затрудняется ее высокой теплопроводностью (в 6 раз выше, чем железа), большой жидкотекучестью, способностью сильно окисляться в нагретом и особенно в расплавленном состоянии. На свариваемость меди оказывают большое влияние примеси, входящие в ее состав (кислород, свинец, сера, фосфор, сурьма, мышьяк, висмут).

Медь в расплавленном состоянии сильно поглощает водород. При кристаллизации металла сварочной ванны с большой скоростью ввиду высокой теплопроводности меди и резкого снижения растворимости водорода в металле атомарный водород не успевает покинуть металл. В результате оксид меди восстанавливается водородом с образованием паров воды, что приводит к появлению в шве пор и трещин.

В околошовной зоне диффузионно-подвижный водород взаимодействует с оксидом меди, который располагается по границам зерен. Образующиеся пары воды не растворяются в меди и не могут из нее выйти, в результате чего в металле создаются значительные напряжения, приводящие к образованию большого числа микротрещин. Это явление получило название водородной болезни меди. Для того чтобы ее предупредить, следует снижать количество водорода в зоне сварки. Для этого перед сваркой производят прокалку электродов.

Сварку меди выполняют по зачищенным до металлического блеска кромкам.

Технология и техника ручной дуговой сварки меди угольным электродом.

Ручная сварка угольным электродом применяется преимущественно для малоответственных изделий. Угольные электроды целесообразно использовать при толщине меди до 15 мм. При большой толщине лучшие результаты получают, применяя графитовые электроды. Сварку выполняют электродами, заточенными на конус (на 1/3 его длины) постоянным током прямой полярности. Плотность тока на электроде обычно составляет 200 - 400 А/см .

Сварку угольным электродом ведут длинной дугой во избежание вредного влияния на сварочную ванну выделяющегося оксида углерода (СО). С этой же целью, а также в связи с возможностью охлаждения ванны присадочный материал не погружают в ванну, а держат под углом примерно 30 град. к изделию на расстоянии 5 - 6 мм от поверхности ванны. Электрод располагают под углом 75 - 90 град. к свариваемому изделию. Углекислый газ, выделяющийся в процессе сварки, недостаточно защищает расплавленный металл от окисления, поэтому применяют присадочный материал с раскислителем - фосфором, а также флюс (94 - 96 % прокаленной буры, 6 - 4 % металлического магния). Флюс наносят на смоченную жидким стеклом поверхность прутка или на свариваемые кромки в виде пудры и просушивают на воздухе.

Детали из меди толщиной менее 3 мм сваривают по отбортовке угольной дугой. При большой толщине соединений также можно применять дуговую сварку угольным электродом, однако при этом используют присадочный материал в виде прутков из меди марки M1, кремнистой или фосфористой бронзы (содержание олова 4 - 10 %). Свариваемую поверхность покрывают флюсом в виде порошка, в состав которого входят бура, борная кислота и борный ангидрид. Сварка меди возможна электродами с обмазкой из буры, борной кислоты и борного ангидрида.

Технология и техника ручной дуговой сварки меди покрытыми электродами.

Ручную сварку покрытыми электродами выполняют постоянным током обратной полярности короткой дугой без поперечных колебаний. Лучшее формирование шва обеспечивает возвратно-поступательное движение электрода. Удлинение дуги ухудшает формирование шва, увеличивает разбрызгивание электродного металла, снижает механические свойства сварных соединений.

Медь толщиной до 4 мм сваривают без разделки кромок и подогрева. При толщине металла 5 - 10 мм необходимы предварительный подогрев до температуры 250 - 300 °С и односторонняя разделка кромок с углом 60 - 70 град. и притуплением кромок 1,5 - 3 мм. При большой толщине металла рекомендуется Х-образная разделка.

Для сварки меди наибольшее распространение получили электроды марки «Комсомолец-100», в которых в качестве стержня используется медная проволока M1 и М2.

Разработаны высокопроизводительные электроды марок АНЦ-1 и АНЦ-2, обеспечивающие сварку без подогрева меди толщиной до 15 мм или с невысоким (250 - 400 °С) подогревом для металла большой толщины.

Для сварки конструкций из меди и хромистой бронзы средних и больших толщин (5 - 20 мм) распространение получили электроды марок АНЦ-1, АНЦ-3 и АНЦ-ЗМ диаметрами 4, 5 и 6 мм соответственно.

Технология и техника ручной аргонодуговой сварки меди вольфрамовым электродом.

Ручную аргонодуговую сварку выполняют вольфрамовым электродом постоянным током прямой полярности в аргоне высокой чистоты. Металл толщиной более 4 мм сваривают с предварительным подогревом до 800 °С. В качестве присадки используют прутки из меди, медно-никелевого сплава (МНЖКТ-5-1-0,2-0,02), бронзы (БрКМц3-1, БрОЦ4-3) и др.

Для металла толщиной свыше 5 мм применяют V- или Х- образную разделку кромок с углом раскрытия 60 - 70 град. Сварку ведут обычно справа налево «углом вперед» при наклоне электрода по отношению к изделию 80 - 90 град., угол наклона присадочной проволоки 10 - 15 град., вылет электрода 5 - 7 мм.

Учитывая, что медь обладает неудовлетворительными литейными свойствами, особое внимание уделяют правильному выбору присадочного материала. Он должен представлять собой сплав меди, содержащий раскислители (фосфор, олово, цинк и др.).

Сварка латуни.

Для дуговой сварки латуни применяют электроды типа ЗТ. Сварка ведется постоянным током обратной полярности короткой дугой. После сварки шов проковывают, а затем отжигают при температуре 600 - 650 °С для выравнивания его химического состава и придания зерну мелкозернистой структуры. Латунь можно сваривать угольной дугой, а также вольфрамовым электродом в среде инертных газов.

Затруднения при сварке латуни вызваны испаряемостью цинка, дым которого состоит из оксидов цинка и является ядовитым. Латунь следует сваривать в условиях хорошей вентиляции рабочего места. Рекомендуется использовать респираторы.

Для сварки латуни предназначены электроды марок ММЗ-2,1П, БрЛ/ЛИВТ, ЦБ-1, МН-4 и др.

Сварка бронзы.

По свариваемости бронзы значительно отличаются друг от друга, поэтому и технология сварки бронз разнообразна. Химический состав присадочного материала должен быть близким к химическому составу свариваемого металла. Сварку выполняют постоянным током обратной полярности короткими участками.

Электроды марки Бр.1/ЛИВТ рекомендуются для сварки оловянных бронз, марки ЦБ-1 - для алюминиевых бронз, марки МН-4 - для медно-никелевых сплавов типа МН-5, МНЖ-5-1 и др.