Текст книги "Сварочные работы. Практическое пособие"

Сварочные работы. Практическое пособие
Сост. Ю. Ф. Подольский

Никакая часть данного издания не может быть скопирована или воспроизведена в любой форме без письменного разрешения издательства

© Книжный Клуб «Клуб Семейного Досуга», издание на русском языке, 2015

© Книжный Клуб «Клуб Семейного Досуга», художественное оформление, 2015

© ООО «Книжный клуб “Клуб семейного досуга”», г. Белгород, 2015

Введение

Металлы – наиболее распространенные и широко используемые материалы в производстве и в быту человека. Их добыча и обработка возникли очень давно. Сначала человек использовал самородные металлы – золото, серебро, медь. Затем он научился сплавлять их друг с другом. Получение бронзы – прочного и твердого сплава меди с оловом, а позднее и с некоторыми другими элементами – открыло новую эпоху в развитии материальной культуры, называемую бронзовым веком. Позже была освоена выплавка железа, и наступил железный век.

Но если обработка металлов резанием была известна еще в глубокой древности, то обратный процесс сложнее давался человечеству. Только кузнецы высокой квалификации умели соединять два куска железа в единое целое, и лишь у считаных мастеров это получалось качественно.

Одним из революционных прорывов в технологии работы с металлом стало изобретение в XX веке электросварки. Впрочем, о возможности использования «электрических искр» для плавления металлов еще в 1753 г. говорил академик Российской академии наук Г. В. Рихман, занимавшийся исследованием атмосферного электричества. В 1802 г. профессор Санкт-Петербургской военно-хирургической академии В. В. Петров открыл явление электрической дуги и продемонстрировал возможность ее практического применения. Однако ученым и инженерам потребовались многие годы совместных усилий, направленных на создание источников энергии, необходимых для реализации процесса электрической сварки металлов. Важную роль в этих разработках сыграли открытия и изобретения в области магнетизма и электричества.

В 1882 г. российский инженер Н. Н. Бенардос, работая над созданием аккумуляторных батарей, открыл способ электродуговой сварки металлов неплавящимся угольным электродом. Им был разработан способ дуговой сварки в защитном газе и дуговая резка металлов.

В 1888 г. российский инженер Н. Г. Славянов предложил проводить сварку плавящимся металлическим электродом. С его именем связано развитие металлургических основ электрической дуговой сварки, разработка флюсов, предназначенных для воздействия на состав металла шва, создание первого электрического генератора. Затем, в 1907 г., шведский инженер О. Кьельберг разработал электроды из металлического стержня с нанесенным на него специальным покрытием, обеспечившие значительное повышение качества сварных соединений.

Газовая сварка возникла после разработки в 1893–1895 гг. промышленного способа производства карбида кальция. Из последнего легко получается горючий газ – ацетилен, который имеет преимущественное применение при газовой сварке. Первые газовые горелки для сварки появились в 1900–1902 гг., а промышленное применение ацетиленокислородная сварка получила в 1906 г., когда появились достаточно надежные конструкции ацетиленовых генераторов и инжекторные сварочные горелки.

С первых лет ХХ века сварка начала победное шествие по заводам и мастерским всего мира. Новые технологии сделали волшебство сварного металла всеобщим достоянием. А нынче даже начинающий домашний мастер в состоянии создавать из металла сложные конструкции.

Многие люди знакомы со сваркой лишь заочно, большинство из них видели, как сваривают металлы, но сами ни разу не пробовали. Некоторые варили один-два раза и давно об этом забыли, а кое-кто зарабатывает сваркой на жизнь. Однако время от времени у каждого возникает необходимость использовать сварку в бытовых целях. Да и тем, кто недавно перестал пугаться расплавленного металла, хочется усовершенствовать свои навыки. Этим вопросам и посвящена данная книга.

Основы теории сварочных процессов

Согласно ГОСТ 2601–84, сваркой называется процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании. Для получения сварных, т. е. полученных с помощью сварки, соединений не требуется применения каких-либо специальных соединительных элементов (заклепок, накладок и т. п.). Сварные соединения применяют для соединения деталей из разных материалов, в том числе неметаллов – пластмасс, керамики, стекла или их сочетаний. Но чаще всего с помощью сварки соединяют металлические детали. Образование неразъемного соединения в них обеспечивается за счет проявления действия внутренних сил системы. Для сварных соединений характерно возникновение металлической связи, обусловленной взаимодействием ионов и обобществленных электронов.

Для соединения двух металлов в единое целое недостаточно простого соприкосновения поверхностей соединяемых деталей. Необходимо настолько сократить расстояние между их атомами, чтобы преодолеть существующий между ними энергетический барьер и чтобы силы взаимного притяжения начали активизироваться. Для этого соединяемые атомы должны получить энергию извне. Благодаря ей атомы получат соответствующее смещение, позволяющее им занять в общей атомной решетке устойчивое положение, т. е. достигнуть равновесия между силами притяжения и отталкивания. Энергию извне называют энергией активации. Ее при сварке вводят путем нагрева (термическая активация) или пластического деформирования (механическая активация). Соприкосновение свариваемых частей и применение энергии активации являются необходимыми условиями для образования неразъемных сварных соединений.

Виды сварки

При классификации процессов сварки выделяют три основных физических признака: форму вводимой энергии, наличие давления и вид инструмента – носителя энергии. Остальные признаки условно отнесены к техническим и технологическим. Такая классификация использована в ГОСТ 19521–74. По виду вводимой в изделие энергии все основные сварочные процессы, включая сварку, пайку и резку, разделены на термические (Т), термомеханические, или термопрессовые (ТМ), и механические (М). Т-процессы осуществляются без давления (сварка плавлением), остальные – обычно только с давлением (сварка давлением). Форма энергии, применяемой в источнике энергии для сварки (электрическая, химическая и др.), как классификационный признак в стандарте не использована, так как она характеризует главным образом не процесс, а оборудование для сварки.

Все известные в настоящее время процессы сварки металлов осуществляются за счет введения только двух видов энергии – термической и механической или при их сочетании. Соответственно различают два вида сварки: сварку плавлением и сварку давлением.

Сварка давлением. Образование сварного соединения при сварке давлением происходит за счет пластического деформирования свариваемых частей без расплавления металла и перехода его в жидкое состояние.

Пластическое деформирование стыка свариваемых кромок производится статической либо ударной нагрузкой, например сваркой взрывом. Для осуществления холодной сварки достаточно применить механическое усилие сжатия. Иногда при сварке давлением применяют местный нагрев. Из рис. 1 видно, что при увеличении температуры нагрева металла для сварки давлением требуются меньшие усилия.

Рис. 1. Схемы возможных областей сварки давлением и плавлением в зависимости от температуры (Т) и давления (Р)

При пластической деформации в зоне свариваемых кромок разрушаются окисные пленки и поверхности сближаются до расстояний возникновения межатомных связей. Зона, где образовались межатомные связи соединяемых частей при сварке давлением, называется зоной соединения.

Характер процесса сварки давлением с нагревом может быть и другим. Например, при контактной стыковой сварке оплавлением свариваемые кромки первоначально оплавляются, а затем пластически деформируются. При этом часть пластически деформированного металла совместно с некоторыми загрязнениями выдавливается наружу, образуя грат.

Сварка плавлением. Сущность сварки плавлением состоит в том, что при температурах выше Тпл (рис. 1) жидкий металл одной оплавленной кромки самопроизвольно соединяется и в какой-то мере перемешивается с жидким металлом второй оплавленной кромки. Так создается общий объем жидкого металла – сварочная ванна. Плавление основного и присадочного материалов в процессе сварки происходит под действием концентрированной энергии, вызванной сварочной дугой, пламенем горелки или каким-либо другим способом. Если в зону сварки не подается дополнительный металл, то сварочная ванна образуется только за счет основного соединения. Но чаще сварочная ванна получается смешиванием основного и присадочного металла, вносимого непосредственно в зону сварки электродом, сварочной проволокой и т. д.

Энергия теплового источника (электрической дуги, газового пламени и т. п.) расходуется на нагрев металла детали, на расплавление электрода или присадочного материала, на плавление защитного флюса (покрытия электрода) и на тепловые потери. Распределение температуры в свариваемом металле зависит от мощности источника тепла, физических свойств металла (теплоемкость, температура плавления и др.), размеров конструкции, скорости перемещения и т. д.

На рис. 2 показаны изотермы – овальные кривые, сгущающиеся впереди движущегося при сварке источника тепла (электрической дуги, пламени горелки). Изотерма 1600 °C – это температура плавления стали, она определяет ориентировочный размер сварочной ванны. Изотерма 1000 °C указывает на зону перегрева металла, изотерма 800 °C показывает зону закалочных явлений, а 500 °C – зону отпуска.

Рис. 2. Схема изотерм при сварке

Затвердевание расплавленного металла, происходящее в хвостовой части ванны, называется кристаллизацией. Динамика этого процесса такова: сварочная дуга, направленная в головную часть ванны, повышает в этой области температуру, в результате чего происходит плавление основного и электродного металлов. Механическое давление, оказываемое дугой на жидкую фазу основного и дополнительного металлов, вызывает их перемешивание и перемещение в хвостовую часть ванны. Таким образом, давление, вызванное дугой, приводит к вытеснению металла из основания ванны и открывает доступ к следующим слоям, где поддерживается необходимая для плавления температура. По мере удаления металла от зоны плавления отвод тепла начинает преобладать над его притоком, и температура жидкой фазы снижается. Расплавленные фазы основного и электродного металлов перемешиваются между собой и, затвердевая, образуют общие кристаллы, что обеспечивает монолитность сварного соединения.

Снижение температуры в хвостовой части ванны происходит за счет усиленного теплоотвода в прилегающий холодный металл, так как его масса по сравнению с ванной значительно преобладает. Кристаллы металла начинают формироваться от готовых центров основного металла в направлении ведения сварки и принимают форму кристаллических столбов, вытянутых в сторону, противоположную теплоотводу.

После охлаждения и кристаллизации металла сварочной ванны получается металл сварного шва, соединяющий детали. Поскольку сварной шов образуется за счет расплавления металла электрода и частично основного металла, в зоне сплавления кристаллизуются зерна, принадлежащие как основному, так и присадочному металлу (рис. 3, а).

Рис. 3. Зоны сварного шва (а) и возможные дефекты в нем (б)

Свойства сварного соединения определяются характером тепловых воздействий на металл в околошовных зонах. Зона вблизи границы оплавленной кромки свариваемой детали и шва, содержащая образовавшиеся межатомные связи, называется зоной сплавления. В поперечном сечении сварного соединения она измеряется микрометрами, но роль ее в прочности металла очень велика.

В зоне термического влияния (ЗТВ) из-за быстрого нагрева и охлаждения металла в нем происходят структурные изменения. Следовательно, сварной шов может получиться прочным и пластичным, но из-за термических воздействий на деталь качество сварки в целом будет низким (рис. 3, б).

Величина ЗТВ составляет при ручной электродуговой сварке для обычного электрода 2–2,5 мм, а для электродов с повышенной толщиной покрытия – 4–10 мм. При газовой сварке ЗТВ существенно возрастает – до 20–25 миллиметров.

ЗТВ характеризуется неравномерным распределением максимальных температур нагрева; в этой зоне можно различать участки: старения (200–300 °C); отпуска (250–650 °C); неполной перекристаллизации (700–870 °C); нормализации (840–1000 °C); перегрева (1000–1250 °C); околошовный участок, примыкающий к линии сплавления (1250–1600 °C). При этом возможны два предельных случая: резкая закалка при быстром охлаждении околошовного участка и перегрев при медленном охлаждении с образованием крупных зерен аустенита.

Высокотемпературные фазы железоуглеродистых сплавов подразделяются:

● на феррит (твердый раствор внедрения C в α-железе с объемно-центрированной кубической решеткой);

● аустенит (твердый раствор внедрения C в γ-железе с гранецентрированной кубической решеткой);

● цементит (карбид железа Fe₃C, метастабильная высокоуглеродистая фаза);

● графит (стабильная высокоуглеродистая фаза).

Особое значение для процесса сварки сталей и чугунов имеет аустенит. Он не магнитен, сравнительно мягкий, углерода содержит не более 2 %. В равновесном состоянии аустенит существует только при высоких температурах, начиная с 723 °C. Имеет форму полиэдрических зерен, размеры которых увеличиваются в процессе выдержки при высоких температурах.

Всего в настоящее время различают более 150 видов сварочных процессов, под которыми в настоящее время понимают достаточно широкую группу технологических процессов соединения, разъединения (резки) и локальной обработки материалов, как правило, с использованием местного нагрева изделий. Примерами сварочных процессов могут служить: сварка, наплавка, пайка, пайка-сварка, сварка-склейка, напыление, спекание, термическая резка и др.

Сварка плавлением, особенно с применением электрической энергии, на сегодняшний день является наиболее востребованной. По способу нагрева этот вид делится на электродуговую, электрошлаковую, электроконтактную и электронно-лучевую[1]1
  Электрошлаковая, плазменная, электронно-лучевая, лазерная сварки, равно как и виды сварки термомеханического и механического классов, в рамках данной книги не рассматриваются, поскольку их применение пока возможно только в промышленных условиях.


[Закрыть]. Соответственно, для нагрева свариваемых кромок металла используются разные источники: электрическая дуга, теплота расплавленного шлака, энергия электронного или лазерного излучения, плазма, печь. Металл шва может образовываться как за счет оплавленных кромок, так и за счет дополнительного присадочного металла. Межатомные связи в таком соединении при сварке плавлением образуются за счет расплавления кромок, смачивания их между собой либо расплавления их присадочным металлом.

Зона вблизи границы оплавленной кромки называется зоной сплавления. Ширина ее очень мала (микрометры), но роль в прочности соединения исключительно велика, ведь именно здесь образуются межатомные связи.

Для всех термических процессов сварки плавлением, независимо от вида носителя энергии, в стык она вводится всегда путем расплавления металла. В термомеханических и механических процессах преобладают внутренние носители энергии, в которых ее преобразование в теплоту происходит главным образом вблизи контакта соединяемых изделий – стыка.

Существует довольно много промышленных технологий соединения металлов помимо рассмотренных выше. Это, например, диффузионная сварка в вакуумной установке с высокотемпературным нагревом, сварка трением (при вращении одной из соединяемых частей свариваемого изделия), сварка взрывом, сварка ультразвуком и др. Впрочем, некоторые виды вполне успешно можно применять и в небольших мастерских.

Экзотермическая (термитная) сварка. Это сварка деталей расплавленным металлом, образованным в ходе химической реакции, сопровождающейся высокой температурой (большим количеством тепла). Основным компонентом этого вида сварки является термитная смесь. Такой способ обеспечивает возможность создания связей на молекулярном уровне для разных материалов без каких-либо внешних источников энергии или тепла: медь – медь; медь – оцинкованная сталь; медь – «черная» сталь; медь – омедненная сталь; медь – нержавеющая сталь; медь – бронза; медь – латунь; и даже сталь – сталь.

Кузнечная сварка. Первый в истории вид сварки. Соединение материалов осуществляется за счет возникновения межатомных связей при пластическом деформировании инструментом (ковочным молотом). В настоящее время в промышленности практически не используется, но поддерживается кустарными промыслами и мелкотоварным производством, в основном для изготовления модных кованых изделий – ворот, оград, предметов интерьера и т. п.

Контактная сварка. При контактной сварке происходят два последовательных процесса: нагрев свариваемых изделий до пластического состояния и их совместное пластическое деформирование. Основными разновидностями такого метода являются точечная контактная сварка и шовная сварка. В промышленности применяют также стыковую сварку сопротивлением, стыковую сварку непрерывным оплавлением и рельефную сварку.

При точечной сварке детали зажимаются в электродах сварочной машины или в специальных сварочных клещах (рис. 4). После этого между электродами начинает протекать большой ток, который разогревает металл деталей в месте их контакта до температур плавления. Затем ток отключается и осуществляется «проковка» за счет увеличения силы сжатия электродов. Металл кристаллизуется при сжатых электродах, и образуется сварное соединение.

Рис. 4. Контактная точечная сварка:

1 – свариваемые детали; 2 – электроды; 3 – усилие сжатия; 4 – сварочная ванна

Другой подвид точечной сварки – шовная сварка. Подача изделия вдоль шва здесь выполняется вращающимися роликами. Через ролики подводится сварочный ток кратковременными импульсами (доли секунд) с небольшими паузами, образуя сварные точки, перекрывающие краями друг друга. Этим создается непрерывность шва. Такой метод применяется для сварки бензобаков, огнетушителей, фляг и т. п.

Чаще всего применяются в быту и мелкосерийном производстве электродуговая сварка и газовые сварка и резка. Они и будут рассмотрены в данной книге наиболее подробно. Но вначале следует определиться со специфической терминологией, применяемой для описания сварочных процессов.

Сварочная терминология

Металлическую конструкцию, изготовленную с помощью сварки из отдельных деталей, называют сварной, а часть такой конструкции – сварным узлом. ГОСТ 2601–84 устанавливает ряд терминов и определений для сварных соединений и швов.

Основной металл – это металл подвергающихся сварке соединяемых частей.

Сварным соединением называют неразъемное соединение, выполненное сваркой. Оно включает в себя сварной шов, прилегающую к нему зону основного металла (ЗТВ), в которой в результате теплового воздействия сварки произошли структурные и другие изменения, и примыкающие к ней участки основного металла.

Наплавкой называется нанесение посредством сварки плавлением слоя металла на поверхность изделия.

Сварной шов представляет собой участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны. Сварочная ванна – это часть металла свариваемого шва, находящаяся при сварке плавлением в жидком состоянии. Углубление, образующееся в шве по окончании процесса сварки, называют кратером. Металл, подаваемый в зону дуги дополнительно к расплавленному основному металлу, называют присадочным. Переплавленный присадочный металл, введенный в сварочную ванну или наплавленный на основной металл, называют наплавленным. Сплав, образованный расплавленным основным и наплавленным металлами или только переплавленным основным металлом, называют металлом шва.

Слой сварного шва – это часть металла шва, которая состоит из одного или нескольких валиков, располагающихся на одном уровне поперечного сечения шва. Валик представляет собой металл шва, наплавленный или переплавленный за один проход. Под проходом понимают однократное перемещение в одном направлении источника тепла при сварке и (или) наплавке. Часть сварного шва, наиболее удаленную от его лицевой поверхности, называют корнем. Шов, выполняемый предварительно для предотвращения прожогов при многопроходной сварке или наплавленный в корень шва для обеспечения гарантированного проплавления, называют подварочным.

По условиям работы швы бывают рабочие, воспринимающие внешние нагрузки, и связующие (соединительные), предназначенные только для крепления частей изделия и не рассчитанные на восприятие внешних нагрузок. Кроме того, технологию выполнения сварных швов описывает целый ряд характеристик.

Так, по характеру выполнения сварные швы могут быть одно– и двусторонними, а по числу слоев – одно– и многослойными, а также многопроходными. В зависимости от расположения швов в конструкции сварку выполняют в разных положениях: нижнем, горизонтальном, вертикальном и потолочном. Сварные швы также подразделяются по положению в пространстве: «в лодочку», нижние, полугоризонтальные, горизонтальные, полувертикальные, вертикальные, полупотолочные и потолочные. По протяженности различают швы непрерывные и прерывистые. А по отношению к направлению действующего усилия швы подразделяют на продольные, поперечные, комбинированные и косые.

Различают сварные швы и в зависимости от типа сварных соединений, которые бывают стыковыми, угловыми, торцовыми, тавровыми и нахлесточными. Однако в этом случае определены только два вида сварных швов: стыковые и угловые. Эти и все вышеперечисленные параметры будут в дальнейшем рассмотрены подробно.