Текст книги "Сварочные работы: Практическое пособие для электрогазосварщика"

Дуга в процессе сварки оказывает давление на сварочную ванну. Это приводит к тому, что жидкий металл из-под основания дуги вытесняется, дуга несколько погружается. При ручной сварке толстопокрытыми электродами глубина погружения дуги составляет 3—4 мм, при сварке под флюсами – 8—10 мм. По мере продвижения дуги в хвостовой части зоны плавления металла происходит интенсивный отвод тепла в массу холодного металла. Кристаллиты растут в направлении, перпендикулярном к поверхности теплоотвода. Кристаллизация металла шва, т. е. переход из жидкого состояния в твердое, протекает с остановками. После охлаждения первого слоя происходит некоторая задержка кристаллизации из-за ухудшения теплоотвода и выделения скрытой теплоты кристаллизации первого слоя. После некоторой задержки вследствие непрекращающегося теплоотвода в глубь основного металла начинает кристаллизоваться второй слой и т. д. Таким образом, периодически происходит кристаллизация по всему продольному и поперечному сечению металла шва.

Толщина кристаллизационных слоев может колебаться от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Закристаллизовавшийся металл однопроходного шва имеет столбчатое строение, это обусловлено тем, что в направлении отвода теплоты (перпендикулярно границе плавления) кристаллиты растут быстрее, чем в других направлениях. Наибольшая толщина кристаллизационных слоев наблюдается в металле шва при электрошлаковой сварке. Ось каждого кристаллита обычно не прямая, она несколько изогнута в направлении вершины шва (рис. 17).

Рис. 17. Направление столбчатых кристаллитов в швах, выполненных электрошлаковой сваркой: а – разрез вдоль шва; б – разрез поперек шва

При сварке под флюсом уменьшается скорость охлаждения шва, это создает благоприятные условия для удаления газов из металла шва и всплывания шлаковых включений, но размер кристаллитов резко увеличивается, что ухудшает прочностные свойства металла шва. Чтобы избежать ухудшения свойств, необходимо измельчить структуру шва. Для этого в жидкий металл вводятся добавки (модификаторы) – алюминий, титан или ванадий. В процессе кристаллизации металла шва возникает неравномерное распределение составляющих сплава. Это в металловедении называют ликвацией.

Ликвация – это прежде всего неоднородность по химическому составу. Ликвация зональная характеризуется различием химического состава периферийной зоны и центральной части металла шва.

Дендритная (внутрикристаллическая) ликвация характеризуется неоднородностью химического состава отдельных кристаллов. Центральная часть дендритов состоит, как правило, из чистого твердого раствора, а граница между дендритами наиболее загрязнена вредными примесями, поэтому разрушение металла шва чаще всего происходит по границам зерен. Чтобы избежать вредного влияния ликвации (особенно при сварке легированных сталей) необходимо производить термическую обработку для выравнивания химического состава металла. На свойства сварного соединения наряду с химическим составом металла шва значительное влияние оказывает и структура металла шва, а также структура зоны термического влияния околошовной зоны. В процессе сварки нагревается основной металл и в нем происходят структурные изменения под воздействием высоких температур.

Область нагрева называют зоной термического влияния. В дальнейшем применяется сокращенное название ЗТВ. Температура, до которой нагреваются отдельные участки ЗТВ, изменяется от температуры плавления до окружающей температуры. Рассмотрим структуры ЗТВ для сталей, наиболее распространенных при сварке конструкций (до 0,20 % углерода) (рис. 18).

Рис. 18. Схема изменения структур околошовной зоны однопроходного шва:

а – температурные границы участков околошовной зоны; б – часть диаграммы состояния сплавов Fe-C

В зависимости от температуры нагрева, структурных и физико-механических изменений в ЗТВ различают следующие участки: 1) неполного расплавления; 2) перегрева; 3) нормализации; 4) неполной перекристаллизации; 5) рекристаллизации; 6) синеломкости.

Участок неполного расплавления является переходным от наплавленного металла к основному, его часто называют переходной зоной. В процессе сварки этот участок находится в твердожидком состоянии, и поэтому переходная зона отличается по химическому составу как от основного, так и от наплавленного металла. Свойства этого участка оказывают в большинстве случаев решающее влияние на работоспособность сварной конструкции.

Участок перегрева определяется температурными границами: от температуры участка неполного расплавления до температуры около 1100 °С. В некоторых случаях при ручной сварке в зоне перегрева сталей с повышенным содержанием углерода образуется крупнозернистая структура, которая заметно снижает пластичность металла и увеличивает его хрупкость.

Ударная вязкость снижается на 25 % и более.

Участок нормализации охватывает металл, нагреваемый в процессе сварки от температуры несколько выше линии критических превращений до температуры ниже 1000 °С. На этом участке происходит образование мелкозернистой вторичной структуры. Механические свойства металла на участке нормализации обычно выше свойств основного металла в его исходном состоянии.

Участок неполной перекристаллизации для низкоуглеродистой стали определяется температурным диапазоном от 725 до 850 °С. Металл на этом участке подвергается только частичной перекристаллизации. Наряду с зернами, образовавшимися в результате перекристаллизации, присутствуют зерна исходного металла.

Участок рекристаллизации наблюдается при сварке стали, подвергшейся пластической деформации (прокат). На этом участке в интервале температур 450—700 °С наблюдается некоторое измельчение зерен, что не изменяет механических свойств ЗТВ металла.

Участок синеломкости охватывает температурный диапазон от 200 до 400 °С. На этом участке наблюдаются синие цвета побежалости на поверхности металла. При сварке низкоуглеродистых сталей на участке наблюдается резкое падение ударной вязкости из-за снижения пластичности. Это происходит в тех случаях, когда в сталях содержится кислород, азот и водород в несколько избыточном количестве.

Размеры отдельных участков ЗТВ и общая ширина ее зависят от условий нагрева, охлаждения и способов сварки.

Контрольные вопросы:

1. Расскажите о формировании и структуре шва в момент перехода металла из жидкого состояния в твердое.

2. Чем вызвано направление роста кристаллов в процессе охлаждения?

3. Каково влияние скорости охлаждения на структуру шва?

4. Каково влияние химического состава на структуру шва?

5. Что такое зона термического влияния и ее основные участки?

6. Дайте краткую характеристику участков зоны термического влияния.

Старением металла называют процесс изменения структуры и, как следствие, механических свойств металла со временем. Он проявляется в повышении твердости и хрупкости металла. Если процесс старения происходит при комнатной температуре, то он называется естественным старением. Если процесс старения происходит при нагреве до заданной температуры с последующим охлаждением – искусственным старением.

Искусственному старению подвергают в основном сплавы титана и алюминия для повышения прочности этих сплавов. Повышение прочности при искусственном старении оценивается при испытании на ударную вязкость металла шва.

Коррозией называется процесс физико-химического разрушения металла под влиянием внешней среды.

Коррозионная стойкость сварных соединений в различных средах и при различных температурах имеет большое значение, так как сварные швы и соединения часто работают в средах, способных вызвать разрушающую коррозию, таких как атмосферная влага, морская вода, растворы кислот и щелочей; совместное действие этих факторов.

По характеру процесса различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия есть процесс окисления металла при непосредственном воздействии окружающей среды без присутствия электрического тока. Окисление железа и его сплавов происходит на воздухе, в дистиллированной воде, в концентрированных агрессивных средах и т. д.

Электрохимическая коррозия характеризуется тем, что она протекает в электролитах (растворах солей, кислот, щелочей) и сопровождается появлением электрического тока.

Стойкость против коррозии зависит от химического состава, структуры, состояния поверхности, напряженного состояния металла, а также от химического состава, концентрации, температуры и скорости перемещения агрессивной среды по поверхности металла.

При ремонте корпусов речных и морских судов, например, установлено, что наружная поверхность подводной части корпуса имеет участки корродированного металла. Анализ причин коррозии показывает, что окалина, не удаленная с поверхности металла корпуса, обладает более высоким потенциалом и является катодом. Участки корпуса, где отсутствует окалина, являются анодом и поэтому металл подвергается усиленному коррозионному разрушению. Для защиты сварных конструкций от воздействия коррозии их окрашивают специальными грунтовыми красками.

Для повышения коррозионной стойкости сварных швов на конструкциях из низкоуглеродистых и низколегированных сталей, предназначенных для эксплуатации в морской воде или подобной среде, рекомендуется при ручной сварке вводить в металл шва 0,55 % никеля. Для этого применяют электроды марки Э-138/Н-50, имеющие основное покрытие и содержащее 0,7—1,1 % никеля. Автоматическая сварка под флюсом производится сварочной проволокой Св-08ГНА, содержащей 0,9—1,2 % никеля.

Контрольные вопросы:

1. Что называется старением металла?

2. Какие виды старения вы знаете?

3. Каковы причины возникновения коррозии?

4. В чем отличие химических видов коррозии от электрохимических видов?

5. Какие меры применяются для повышения коррозионной стойкости металлов и сварных швов?

Сварка, как и другие процессы обработки металлов (штамповка, литье, прокатка, волочение, прессование, термическая обработка), вызывает в изделиях собственные напряжения. Собственными называются такие напряжения, которые возникают без приложения внешних сил. В зависимости от причины возникновения различают следующие напряжения:

тепловые, возникающие из-за неравномерного распределения температуры при сварке;

структурные, появляющиеся вследствие структурных превращений, сходных с закалкой.

В зависимости от времени существования собственных напряжений и деформаций их подразделяют на временные и остаточные. Временные напряжения и деформации существуют в конструкции только в какой-то момент времени. Если возникшее напряжение не превышает предела упругости, то временные напряжения и деформации исчезают (снимаются) после охлаждения изделия. Остаточные – остаются в изделии после исчезновения причины, их вызвавшей. Эти напряжения и деформации также возникают вследствие неравномерного нагрева, но они слишком велики и могут привести к появлению трещин или разрушению сварного соединения. В некоторых случаях разрушения не происходит, но большие деформации выводят сваренную конструкцию из заданных размеров (рис. 19).

Рис. 19. Основные виды деформаций сварных соединений: а – направление действия продольных и поперечных напряжений; б – деформация стыкового соединения; в – деформация сварной двутавровой балки (цифрами указан порядок наложения сварных швов, стрелками – направления действующих напряжений); г – вид деформированного сварного тавра; f – стрела прогиба

Весь комплекс мероприятий по борьбе с деформациями и напряжениями от сварки можно рассматривать по двум группам:

мероприятия, предотвращающие возникновение напряжений и деформаций или уменьшающие их влияние;

мероприятия, обеспечивающие последующее исправление деформаций и снятие остаточных напряжений.

К первой группе можно отнести такие меры, как выбор правильной последовательности сварки изделия, жесткое закрепление изделия, предварительный обратный выгиб, сопутствующий подогрев, интенсивное охлаждение в процессе сварки, уменьшение количества сварных швов, симметричное расположение ребер жесткости, применение гнутых профилей.

Ко второй группе относится местная проковка металла шва или ЗТВ, правка под действием статической нагрузки, местный нагрев и механическая правка, термическая обработка.

Все перечисленные мероприятия заранее просчитываются конструкторами и технологами, уточняются в процессе изготовления образцов, и только после этого окончательно вносятся в технологические карты.

Окончательно невозможно избавиться от напряжений и деформаций. Удается только снизить их до приемлемых требований технологических документов. Только после многочисленных испытаний (для ответственных конструкций) и обобщающих выводов представляется возможным гарантировать надежность работы сварного узла или конструкции по установленным показателям, например, тележка вагона метро имеет гарантийный срок безаварийного пробега 350 000 км.

Контрольные вопросы:

1. Как классифицируются основные виды напряжений и деформаций?

2. Какие меры применяются по борьбе с деформациями и напряжениями?

3. Каково значение мероприятий по снижению остаточных напряжений и деформаций?

Глава 2
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

Рабочее место сварщика – это сварочный пост (рис. 20), который оснащен необходимым инструментом и оборудованием для выполнения работ. Сварочные посты могут быть оборудованы как в производственном помещении, так и на открытой производственной площадке (строительно-монтажные условия работы). В зависимости от условий работы сварочные посты могут быть стационарными или передвижными.

Сварочные посты необходимо размещать в специальных сварочных кабинах.

В кабинах в качестве источников питания размещаются наиболее распространенные однопостовые сварочные трансформаторы типа ТДМ для сварки на переменном токе, или сварочные выпрямители типа ВД или ВДУ для сварки на постоянном токе.

Применяются также и многопостовые источники питания на несколько независимых постов.

Рис. 20. Сварочный пост для ручной сварки:

1 – сеть электрического питания;

2 – рубильник или магнитный пускатель; 3 – источник питания; 4 – сварочные провода; 5 – электрододержатель; 6 – зонд местной вытяжки воздуха

Кабина сварочного поста должна иметь размеры: 2(1,5) или 2(2) м и высоту не менее 2 м. В кабине устанавливается металлический стол, к верхней части кабины подводится зонд местной вытяжки воздуха от вентиляционной системы. В столе предусматриваются выдвижные ящики для хранения необходимого инструмента и приспособлений.

Сварочный пост комплектуется источником питания, электрододержателем, сварочными проводами, зажимами для токонепроводящего провода, сварочным щитком с защитными светофильтрами, различными зачистными и мерительными инструментами.

Сварщики обеспечиваются средствами личной защиты, спецодеждой.

Электрододержатель – приспособление для закрепления электрода и подвода к нему тока (рис. 21). Среди всего многообразия применяемых электрододержателей наиболее безопасными являются пружинные, изготовляемые в соответствии с существующими стандартами: I типа – для тока до 125 А; II типа – для тока 125—315 A; III типа – для тока 315– 500 А. Эти электрододержатели выдерживают без ремонта 8 000—10 000 зажимов. Время замены электрода не превышает 3—4 с. По конструкции различаются винтовые, пластинчатые, вилочные и пружинные электрододержатели.

Рис. 21. Типы электрододержателей: а – вилочный; б – 111игатовый; в – завода «Электрик»; г – с пружинящим кольцом

Щитки сварочные изготавливаются двух типов: ручные и головные из легких негорючих материалов. Масса щитка не должна превышать 0,50 кг.

Защитные светофильтры (затемненные стекла), предназначенные для защиты глаз от излучения дуги, брызг металла и шлака, изготавливаются 13 классов или номеров. Номер светофильтра подбирается в первую очередь в зависимости от индивидуальных особенностей зрения сварщика. Однако следует учитывать некоторые объективные факторы: величину сварочного тока, состав свариваемого металла, вид дуговой сварки, защиту сварочной ванны от воздействия газов воздуха. Размер светофильтра 52x102 мм. При сварке покрытыми электродами следует ориентироваться на применение светофильтров различных номеров в зависимости от величины сварочного тока: 100 А – № С5; 200 А – № С6; 300 А – № С7; 400 А – № С8; 500 А – № С9 и т. д.

При сварке плавящимся электродом тяжелых металлов в инертном газе следует пользоваться светофильтром на номер меньше, а легких металлов – на номер больше по сравнению со светофильтром при сварке покрытыми электродами.

При сварке в среде С0₂ применяют следующие светофильтры: до 100 А – № С1; 100—150 А – № С2; 150—250 А – № СЗ; 250—300 А – № С4; 300—400 А – № С5 и т. д. Светофильтры вставляются в рамку щитка, а снаружи светофильтр защищают обычным стеклом от брызг металла и шлака. Прозрачное стекло периодически заменяют.

Кабели и сварочные провода необходимы для подвода тока от источника питания к электрододержателю и изделию. Кабели изготавливают многожильными (гибкими) по установленным нормативам для электротехнических установок согласно ПУЭ (Правила устройства и эксплуатации электроустановок) из расчета плотности тока до 5 А/мм² при токах до 300 А. Электрододержатели присоединяются к гибкому (многожильному) медному кабелю марки ПРГД или ПРГДО. Кабель сплетен из большого числа отожженных медных проволочек диаметром 0,18—0,20 мм. Применять провод длиной более 30 м не рекомендуется, так как это вызывает значительное падение напряжения в сварочной цепи. Рекомендуемые сечения сварочных проводов для подвода тока от сварочной машины или источника питания к электрододержателю и свариваемому изделию приведены в (табл. 2).

Таблица 2

Площадь поперечного сечения сварочных проводов

Токоподводящий провод соединяется с изделием через специальные зажимы. В сварочном поворотном приспособлении должны быть предусмотрены специальные клеммы. Закрепление провода должно быть надежным. Самодельные удлинители токоподводящего провода в виде кусков или обрезков металла не допускаются. Некоторые виды зажимов приведены на рис 22.

Рис. 22. Токопроводящие зажимы:

а – быстродействующий с пружинным зажимом; б – с винтовым зажимом; в – с винтовой струбциной

Одежда сварщика изготовляется из различных тканей, которые должны удовлетворять двум основным требованиям:

наружная поверхность одежды должна быть огнестойкой и термостойкой;

внутренняя (изнаночная) поверхность одежды должна быть влаго-поглощающей.

Исходя из этих требований одежду для сварщиков – куртку и брюки – шьют из брезента, сукна, замши; иногда комбинируют ткани.

Ассортимент тканей и самой спецодежды постоянно расширяется. Зарубежные и отечественные фирмы изготавливают универсальную спецодежду, применяемую сварщиками, автогонщиками, работниками аварийно-спасательной службы. Наиболее совершенные костюмы для сварщиков изготавливает отечественная фирма «Авто-химэкс». Куртка и брюки изготовлены из двухлицевой ткани, у которой внешняя сторона – из нити типа кевлар, а внутренняя – из хлопчатобумажной пряжи. Ткань обладает повышенной прочностью, малым удлинением, что обеспечивает сохранение формы костюма (куртка, полукомбинезон или комбинезон). Температура, при которой рабочий чувствует себя комфортно длительное время, составляет 200—250 °С.

Все сварщики должны пользоваться защитными рукавицами. При выполнении сварочных работ внутри котлов, емкостей, резервуаров и т. д. сварщики должны обеспечиваться резиновыми ковриками, ботами, галошами, особыми наколенниками и подлокотниками, деревянными подложками и др.

При выполнении сварочных работ сварщик пользуется традиционным инструментом: металлической щеткой для зачистки кромок перед сваркой и удаления остатков шлака после сварки; молотком-шлакоотделителем для удаления шлаковой корки; зубилом, шаблонами для проверки размеров швов, личным клеймом, рулеткой металлической, угольником, чертилкой и т. д. (рис. 23).

Рис. 23. Инструмент для зачистки сварного шва и свариваемых кромок: а – металлическая щетка; б – молоток-шлакоотделитель

Контрольные вопросы:

1. Что называется сварочным постом, где могут быть оборудованы сварочные посты в зависимости от условий работы?

2. Какие источники питания применяются для оснащения сварочного поста?

3. Что вы знаете об устройстве кабины для сварочного поста и ее оснащении?

4. Что представляет собой электрододержатель?

5. Расскажите о назначении сварочных щитков и применяемых светофильтров.

6. Какие кабели и сварочные провода применяются при оснащении сварочных постов?

7. Для чего применяются токоподводящие зажимы?

8. Какие основные требования предъявляются к одежде сварщика?

9. Какими инструментами пользуется сварщик при выполнении сварочных работ?