Технология электрической сварки плавлением

Думов С.И.

Машиностроение, 1987 г.

Классификация электрической дуговой сварки

Электрическую сваркуплавлением в зависимости от характера источников нагрева и расплавлениясвариваемых кромок можно разделить на следующие основные виды сварки (схема 1):

электрическая дуговая, где источником тепла является   электрическая   дуга;

электрошлаковая сварка, где основным источником теплоты является расплавленный шлак,   через который протекает электрический ток;

электронно-лучевая, при которой нагрев и расплавление кромок соединяемых деталей производятся направленным потоком электронов,   излучаемых   раскаленным катодом;

лазерная, при которой нагрев и расплавление кромок соединяемых деталей происходят направленным сфокусированным   мощным   световым   лучом   микрочастиц — фотонов.

При электрической дуговой сварке основная часть теплоты, необходимая для нагрева и плавления металла, получается за счет дугового разряда, возникающего между свариваемым металлом и электродом. Под действием теплоты дуги кромки свариваемых деталей и торец плавящегося электрода расплавляются, образуя сварочную ванну, которая некоторое время находится в расплавленном состоянии. При затвердевании металла образуется сварное соединение. Энергия, необходимая для образования и поддержания дугового разряда, получается от источников питания дуги постоянного или переменного тока.

Классификация дуговой сварки производится в зависимостиот степени механизации процесса сварки, рода тока и полярности, типа дуги, свойств электрода, вида защиты зоны сварки от атмосферного воздуха и др.

По свойствамэлектродаразличают способысварки плавящимся электродом и неплавящимся (угольным, графитовым или вольфрамовым).

Сварка плавящимся электродом является самым распространенным способом сварки; при этом дуга горит между основным металлом и металлическим стержнем, подаваемым в зону сварки по мере плавления. Этот вид сварки можно производить одним или несколькими электродами. Если два электрода подсоединены к одному полюсу источника питания дуги, то такой метод называют двухэлектродной сваркой, а если больше — многоэлектродной сваркой   пучком электродов.

Если каждый из электродов получает независимое питание — сварку называют двухдуговой (многодуговой сваркой). При дуговой сваркеплавлениемкоэффициент полезного действия дуги   достигает 0,7—0,9.

По условиям наблюдения за процессомгорения дуги различают открытую, закрытую и полуоткрытую дугу.

При открытой дуге визуальное наблюдение за процессомгорения дуги производится через специальные защитные стекла — светофильтры. Открытая дуга применяется при многих способах сварки: при ручной сварке металлическим и угольным электродом и сварке в защитных газах.

Закрытая дуга располагается полностью в расплавленном флюсе—шлаке, основном металле и под гранулированным флюсом, и она невидима.

Полуоткрытая дуга характерна тем, что одна ее часть находится в основном металле и расплавленном флюсе, а другая над ним. Наблюдение за процессом производится через светофильтры. Используется при автоматической сваркеалюминия по флюсу (см.  рис. 155),

По роду защиты зоны сварки от окружающего воздухаразличают следующие способы сварки: баз защиты (голым электродом, электродом со стабилизирующим покрытием), со шлаковой защитой (толстопокрытыми электродами, под флюсом), шлакогазовой (толстопокрытыми электродами), газовой защитой (в среде газов) с комбинированной защитой (газовая среда и покрытие или флюс).

§ 3. СВАРОЧНАЯ   ДУГА   И СУЩНОСТЬ ПРОТЕКАЮЩИХ   В   НЕЙ    ПРОЦЕССОВ

Состояние вещества характеризуется взаимосвязью молекул и атомов. Различие свойств твердого, жидкого и газообразного состояния определяется различием средних расстояний между молекулами.

В твердом и жидком состоянии они очень малы, чем и объясняется малая сжимаемость этих веществ и общее их название «конденсированное состояние». В газах это расстояние велико, поэтому они могут сравнительно легко сжиматься под действием внешнего давления. Этим же объясняется различие в электропроводности конденсированного состояния   и   газов.

В конденсированных веществах крайние электроны легко теряют связь с ядрами своих атомов и свободно перемещаются по веществу. Такие свободные электроны, называемые электронами проводимости, и являются носителями тока в проводнике. В газах электроны притягиваются только к споим ядрам, поэтому при обычных условиях    газы   ток   не   проводят.

В электрической дуге (плазме) газ ионизирован, благодаря чему он, сохраняя способность сжиматься, приобретает электропроводность вещества, находящегося в конденсированном состоянии. Это и есть четвертое агрегатноесостояниевещества — плазма. В целом же плазма электрически нейтральна, так как сумма зарядов в любой части   объема   равна   нулю.

Сварочной дугой называют длительный разряд электрического тока в газовой среде между находящимися под напряжением твердыми или жидкими проводниками (электродами), который является концентрированным источником теплоты, используемым для плавленияметалла при сварке (см. рис. 16).

Электрические заряды в сварочной дуге переносятся электрически заряженными частицами — электронами, а также положительно и отрицательно заряженными нонами.

Электроном называется материальная частица, обладающая отрицательным зарядом электричества. Массаэлектрона очень мала и составляет 9,1 -1Сг²⁸   г.

Положительным ионом называют атом или молекулу, потерявшие один электрон (однократная ионизация) или несколько электронов (многократная ионизация). Отрицательным ионом называют материальную частицу, присоединившую к себе избыточный электрон. Наименьшей массой обладает ион (протон) водорода 1,67-10~²⁴ г. Следовательно, Массаэлектрона в 1840 раз меньше массы протона водорода.

Процесс, при котором в газе образуются положительные и отрицательные ионы, называется ионизацией, а   такой   газ   ионизированным.

Положительные ионы могут образоваться из атомов всех элементов, отрицательные — не всех. Легче всего отрицательные ионы образуют так называемые электроотрицательные элементы — голоиды: (F, Cl, Br, J), кислород и др., обладающие значительным сродством к электрону. Этот фактор существенно влияет на условиягорения сварочной дуги, но недостаточно изучен.

Металлургические процессы при сварке в защитных газах

Из защитных газов наибольшее применение имеют инертный аргон и активный углекислый газ. Металлургические процессы при сваркесталей в этих газах существенно различаются.

При сварке под защитой инертных газов металлургические процессы протекают только между элементами, содержащими в металле сварочной ванны, так как инертные газы не взаимодействуют с газовыми и конденсированными составляющими атмосферы столба дуги.

Если при сварке содержится некоторое количество оксида железа (II) FeO, то при взаимодействии с углеродом происходит восстановлениеFeOс образованием оксидауглерода (II), нерастворимого в стали, что при кристаллизацииванныприводит к образованию пор в металле шва. Этому способствует также водород, растворимость которого в металле сварочной ванны с малой степеньюокисленности  высокая.

Предотвращение возможности образования пор при сварке в инертных газах достигается двумя путями:

1) введением в состав сварочной ванны таких активных раскислителей, как, например, марганец и кремний;

2) добавлением к аргону некоторого количества углекислого газа (10—15 %) или 5 % кислорода, что приводит к   интенсификации   процесса   образования   оксида   углерода (II), кипению сварочной ванны; бурно выделяющиеся из нее пузырьки захватывают и выносят из ванны находящиеся в ней газы. Кислород также уменьшает поверхностное  натяжение  металла капли; перенос металла становится мелкокапельным   улучшаются условия формирования поверхности шва. Содержание водорода в ванне также уменьшится,  так как кислород, соединяясь с водородом, образует нерастворимые в жидком металле соединения.

Деформации и напряжения при сварке стыковых соединений

Применение ранее рассмотренных условий образования напряжений и деформаций при наплавке валика на кромкуполосы к случаю сварки двух полос встык позволяет установить общие закономерности возникновения напряжений и деформаций при сварке стыковых соединений. При выполнении стыковых соединений возникают как деформации в плоскости свариваемых листов, так и деформации из плоскости соединяемых элементов. Рассмотрим сначала деформации в плоскости свариваемых листов. Для этого полагаем, что на соединяемые встык кромки действует линейный источник теплоты, характеризуемый тем, что листы прогреваются по всей толщине равномерно. Для упрощения считаем, что сваркасоединения производится быстродвижущим источником теплоты и поэтому с небольшой погрешностью можно принять, что шов по длине охлаждается равномерно. Принятые допущения позволяют нам полнее применить процессы, наблюдаемые при наплавке валика на кромку полосы, к случаям сварки стыковых соединений.

Значения и характер напряжений и деформаций в плоскости свариваемых встык листов будут прежде всего зависеть от соотношения ширины свариваемых листов.

Если ширина одного листа равна h, а второго листа нулю, то напряжения и деформации в таком элементе будут такими же, как в случае наплавки валика на кромку. Если совместить между собой две эпюры для случая наплавки валика на кромкуполосыширинойh(рис. 78, о), то увидим, что полученная совмещенная эпюра продольных напряжений в какой-то мере отражает напряжения при сварке встык двух полос при вышепринятых допущениях. На внутренних кромках и в шве будут напряжения растяжения, равные пределу текучести, и пластические деформации растяжения, а также наблюдается укорочение кромок вследствие пластических деформацийсжатия при нагреве от сварки. Напряжения на наружных кромках будут зависеть от таких факторов, как погонная энергия и жесткость системы, в данном случае зависящая от ширины полос.

§ 42. ТЕХНОЛОГИЯ   СВАРКИ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ И СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТЫХ   СТАЛЕЙ

Низколегированные жаропрочные (теплоустойчивые) и низколегированные среднеуглеродистые стали находят широкое применение для изготовления сварных конструкций.

Сварка низколегированных теплоустойчивых сталей

Теплоустойчивой называют сталь, обладающую повышенной механической прочностью при высоких температурах   и   длительных   постоянных   нагрузках.

Наряду с обычными величинами, определяющими механические свойства стали, критерием механической прочности теплоустойчивой стали в нагретом состоянии служит пределползучести и длительная прочность.

Ползучестью называется способность нагретого до определенной температурыметалла под воздействием длительных постоянных нагрузок постепенно пластически деформироваться. Эти нагрузки значительно меньше нагрузок, вызывающих деформациюметалла при кратковременном  нагружении. Ползучесть оценивается напряжением, при котором через определенный отрезок времени (обычно десятки, сотни тысяч часов) при заданной температуредеформацииползучести получит заранее заданное значение, например 1—2 %.

Длительная прочностьопределяется напряжением, вызывающим разрушениеметалла при заданной температуре   за   определенный   отрезок времени.

Наибольшее применение получили теплоустойчивые стали при изготовлении современных паровых энергетических установок, где наряду со сварными конструкциями нашли применение сложные по форме лито-сварные конструкции.

Для повышения теплоустойчивости сталей в их состав вводят легирующие элементы (Mo, W, V), энергично повышающие температуруразупрочнениястали при нагреве. Для обеспечения теплоустойчивости сталей в их состав вводят хром, образующий плотную защитную пленку окислов на поверхности металлов.

Существует большое количество марок сталей с различным уровнем жаропрочности: так, стали марок 15ХМА, 20ХМА применяют для изготовления деталей паровых турбин, работающих при температурах до 520 °С, сталь 12Х1МФ — для изготовления узлов установок, работающих при температурах до 580 °С, а сталь 20ХМФЛ — до температуры 550—580 °С. Теплоустойчивые стали могут быть сварены всеми способами электрической сварки плавлением. Ручная сварка теплоустойчивых сталей производится электродами с основным фтористо-кальциевым покрытием. Электроды с покрытием этого типа обеспечивают повышенную раскисленность металла шва при малом содержании неметаллических включений и водорода, вследствие чего достигается высокая пластичность и ударная вязкость швов. Но перед их использованием во избежание образования пор в металле шва требуется их сушка при 150—200 °С. Ручная сварка должна производиться возможно короткой дугой и свариваемые кромки следует тщательно зачистить от ржавчины и окалины. Ее обычно используют при монтаже котлов и паропроводов и сваркетрубповерхностей нагрева к коллекторам, а также при сварке литых деталей турбин и заварке дефектов в отливках.

В зависимости от условийработы конструкции подбирается тот или иной тип, марка электрода и вид термообработки после сварки. Так, для ручной сваркистали 12МХ можно рекомендовать Электроды типа Э-09МХ, марки ЦУ-2МХ, термообработка после сварки — отпуск; для стали марок 15ХМ, 20ХМЛ — Электроды типа Э-09Х1М марок ЦУ-2ХМ, ЦЛ-38, ЗИО-20, УОНИ-13ХМ, термообработка — отпуск; для сталей марок 12Х1МФ, 15Х1М1Ф—электроды типа Э-09ХШФ, марок ЦЛ-20, ЦЛ-45, ЦЛ-39, термообработка — отпуск; для сталей марок 20ХМФ-Л, 15Х1М1Ф-Л Электроды типа Э-10Х1М1НФБ, марки ЦЛ-36, термообработкасталей — нормализация и отпуск.