Текст книги "Сварочные работы. Практическое пособие"

Согласно DIN EN 499, у электродов для сваривания нелегированных сталей существуют покрытия следующих типов: A – кислое, C – целлюлозное, R – рутиловое, RR – толстое рутиловое, RC – рутилово-целлюлозное, RA – рутилово-кислое, RB – рутиловое основное, B – основное.

При этом следует различать основные и смешанные типы покрытий. Используемые как условные обозначения буквы происходят от английских терминов. Здесь буква C = cellulose (целлюлоза), A = acid (кислый), R = rutile (рутил), B = basic (основной).

В Германии основную роль играет рутил. Покрытие стержневых электродов может быть тонким, средним и толстым. Поскольку покрытие рутиловых электродов может быть любой толщины, для электродов с толстым покрытием было введено отдельное обозначение RR.

У легированных и высоколегированных электродов такого разнообразия покрытий нет. У стержневых электродов для сваривания нержавеющих сталей, которые регламентированы в DIN EN 1600, различают, к примеру, электроды с рутиловым и основным покрытием, как и у электродов для сваривания жаропрочных сталей (DIN EN 1599), однако и в этом случае среди рутиловых электродов есть смешанные рутилово-основные типы, что, впрочем, никак не проявляется в обозначениях. Это относится, например, к электродам, имеющим лучшие свойства при проведении сварочных работ в стесненных условиях.

Стержневые электроды для сваривания высокопрочных сталей (DIN EN 757) выпускаются только с основным покрытием.

Свои обозначения в маркировке электродов нашли даже рекомендуемые позиции при сварке (рис. 18). Для сварки вертикальных швов сверху вниз электроды имеют маркировку PG, в противоположном направлении – PF. Сварка сверху в вертикальной позиции – РА, в горизонтальной – РВ. Сварка снизу в вертикальной позиции – РЕ, в горизонтальной – PD.

Рис. 18. Рекомендуемые позиции при ручной сварке стержневыми электродами согласно ISO 6947

Согласно DIN EN 499, существуют и указания относительно минимальных значений предела текучести, прочности при растяжении и вязкости металла шва и относительно сварочных характеристик. Например, короткое условное обозначение E 46 3 B 42 H5 содержит следующую информацию: стержневой электрод для ручной сварки (Е) обладает пределом текучести не менее 460 Н/мм², прочностью при растяжении 530–680 Н/мм² и минимальным удлинением 20 % (группа цифр 46 согласно табл. 4). Работа развития трещины, равная 47 Дж, достигается при температуре –30 °C (показатель 3 согласно табл. 5). Покрытие электрода основное (В). Первая цифра в пятой группе (42) указывает на вывод и предпочтительный вид тока (согласно табл. 6), вторая цифра в этой группе обозначает разрешенные положения при сварке (табл. 7). Приведенный в качестве примера электрод обладает выводом от 105 до 125 % и сваривается только при постоянном токе (4) в любых положениях, кроме вертикального сверху вниз (2). Содержание водорода в металле шва составляет менее 5 мл/100 г металла шва. На это указывает последняя группа (Н5). Нормированы также показатели Н10 и Н15 с соответствующим содержанием водорода. Если металл шва, кроме марганца, содержит и другие легирующие элементы, указание на них содержится перед показателем типа покрытия с обозначением химического элемента и, возможно, с указанием на процентное содержание (например, 1Ni).

Похожие системы обозначений существуют для высокопрочных электродов (DIN EN 757), жаропрочных электродов (DIN EN 1599) и нержавеющих электродов (DIN EN 1600). У жаропрочных и нержавеющих электродов с основным материалом, помимо характеристик прочности, должны совпадать и характеристики жаропрочности, и антикоррозионные свойства металла шва. Поэтому в этих случаях действует правило, согласно которому для получения требуемых характеристик легирование металла шва должно быть как можно ближе к легированию основного материала либо несколько выше.

Для дуговой и газовой сварки, металлических конструкций, для наплавки и изготовления электродов применяется сварочная проволока сплошного сечения, выпускаемая по ГОСТ 2246–70. В соответствии с этими нормами промышленность выпускает проволоку трех групп: низкоуглеродистую, легированную и высоколегированную. Стандартный ассортимент насчитывает 77 марок сварочной проволоки диаметром от 0,3 до 12 мм. Проволоку диаметром от 2 до 6 мм применяют для автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом. Проволоку диаметром от 1,6 до 12 мм используют для изготовления стержней электродов. Проволока диаметром от 0,3 до 1,6 мм предназначается в основном для автоматической и полуавтоматической сварки в защитном газе.

Обозначение марок проволоки состоит из сочетания букв и цифр.

Индекс Св означает, что проволока сварочная. Следующие за индексом две цифры указывают среднее содержание в проволоке углерода в сотых долях процента. В остальном маркировка стальной сварочной проволоки соответствует маркировке сталей, где буквы указывают на содержание в проволоке легирующих элементов, а цифры – содержание этих элементов в процентах. Если цифры после буквенного обозначения легирующего элемента отсутствуют, это означает, что данного элемента в материале проволоки содержится менее 1 %. Буква А в конце условного обозначения марок низкоуглеродистой и легированной проволоки свидетельствует о повышенной чистоте металла с точки зрения содержания серы и фосфора. Двойная буква А указывает на пониженное содержание серы и фосфора по сравнению с предыдущей проволокой. Буква Г указывает на содержание марганца, буква С – на содержание кремния, буква Х – на содержание хрома и т. д. После обозначения марки стали через дефис могут быть написаны следующие заглавные буквы: Э – проволока для изготовления электродов; О – омедненная проволока; ВД – полученная вакуумно-дуговым переплавом, Ш – электрошлаковой выплавкой, ВИ – вакуумно-индукционным способом.

Сварочная проволока поставляется в кассетах или намотанной на катушки. Масса одного мотка или бухты проволоки обычно не превышает 80 кг. Внутренний диаметр катушек и бухт проволоки, в зависимости от ее диаметра, может составлять 100–400 миллиметров.

По виду поверхности проволока производится неомедненной и омедненной. Толщина медного покрытия – 6 мкм. Поверхность проволоки должна быть чистой и гладкой, без трещин, расслоений, плен, закатов, забоин, окалины, ржавчины, масла и других загрязнений. Допускаются отдельные риски, царапины, местная рябизна, вмятины глубиной не более предельного отклонения по диаметру.

Химический состав проволоки оказывает большое влияние на качество сварного соединения. Поэтому марку сварочной проволоки выбирают в соответствии с химическим составом свариваемой стали. Так, для низкоуглеродистых и большинства низколегированных сталей применяют низкоуглеродистые (Св-08, Св-08А), марганцевые (Св-08ГА, Св-10ГА, Св-10Г2), кремнемарганцевые (Св-08ГС, Св-08Г2С, Св-12ГС) проволоки и др.

Для сварки высоколегированных сталей применяют специальные проволоки, легированные хромом, никелем, ванадием, молибденом, титаном, ниобием и т. д. Кроме того, для сварки таких сталей могут применяться проволоки, изготавливаемые по иным стандартам или техническим условиям.

Для сварки конструкций из углеродистых и низколегированных сталей в углекислом газе и его смесях, кроме проволоки, выпускаемой по ГОСТ 2246–70, применяют сварочную проволоку сплошного сечения, микролегированную редкоземельными металлами (РЗМ).

Проволока с РЗМ выпускается диаметром 2,0; 1,6; 1,4 и 1,2 мм. Углерода в ней содержится 0,11–0,17 %; марганца 1,5–1,9; кремния 0,7–1,1 и редкоземельных металлов около 0,03 %. Проволоку с РЗМ применяют наравне со стандартной проволокой для сварки в углекислом газе. Ею варят на постоянном токе прямой полярности («—» на электроде).

По сравнению с проволокой Св-08Г2С проволока с РЗМ имеет следующие преимущества:

● облегченное зажигание дуги и повышенная стабильность ее горения;

● возможность работы на повышенных плотностях тока;

● снижен уровень потерь металла на разбрызгивание;

● брызги практически не прилипают к изделию, поэтому не требуется последующая очистка, отпадает необходимость в нанесении на поверхность металла защитных средств, предотвращающих привариваемость брызг к свариваемой конструкции.

Использование повышенных плотностей тока дает возможность работать с такой проволокой на форсированных режимах и без ухудшения формирования шва получать хорошие механические свойства сварного соединения. Однако при сварке проволокой с РЗМ несколько возрастает излучение дуги в ультрафиолетовом диапазоне, а также количество озона в воздухе[13]13
  Обычно озона при сварке выделяется до 0,1 мг на 1 м³ воздуха, а при том же режиме сварки проволокой с РЗМ – практически в два раза больше.


[Закрыть].

Для электродуговой наплавки выпускается стальная проволока диаметром 0,3–5,0 мм, которая поставляется свернутой в мотки с внутренним диаметром 150–700 мм и массой 1,5–30,0 кг. Ее обозначение начинается не с индекса «Св», а с индекса «Н». По химическому составу наплавочная проволока делится на несколько групп:

● проволока из углеродистой стали выпускается 8 марок: Нп-30; Нп-40; Нп-50; Нп-65; Нп-80; Нн-40Г; Нп-50Г и Нп-65Г;

● проволока из легированных сталей выпускается марок: Нп-30ХГСА, Нп-30Х5, Нп-5ХНМ, Нп-50ХФА и др.;

● проволока из высоколегированной стали выпускается марок: Нп-ЗХ13, Нп-45Х4ВЗФ, Нп-60ХЗВ10Ф, Нп-Х20Н80Т и др.

Марку проволоки выбирают в зависимости от требуемых механических свойств и химического состава наплавленного металла.

Кроме сплошной проволоки, для сварки и наплавки применяют порошковую проволоку, ленточные сплошные и порошковые присадочные материалы. Технические условия на наплавочную порошковую проволоку регламентируются ГОСТ 26101–84, а на порошковую проволоку для дуговой сварки углеродистых и низколегированных сталей – ГОСТ 26271–84. Порошковая проволока может иметь либо трубчатое, либо специальной формы сечение, увеличивающее коэффициент наплавки проволоки. Изготавливают ее путем непрерывного сворачивания низкоуглеродистой стальной ленты толщиной 0,2–1,0 мм и шириной 8–20 мм в трубку с одновременным заполнением этой трубки смесью мелко измельченных легирующих шлако– и газообразующих компонентов (шихтой).

Кроме трубчатой порошковой проволоки, в соответствии с ГОСТ 26467–85 выпускают порошковую ленту, использование которой многократно повышает производительность наплавочных работ. Наплавка и сварка порошковой проволокой может выполняться под слоем флюса, в углекислом газе или открытой дугой. Порошковая проволока для сварки под флюсом состоит из стальной оболочки и легирующего наполнителя, в котором количество шлако– и газообразующих компонентов сокращено, и применяется для сварки и наплавки высоколегированных сталей и сплавов.

Такая проволока маркируется буквами ПП с указанием стали, для наплавки которой она разработана. Например, ПП-Х10ВЦ, ПП-Х42ВФ.

Порошковая проволока для сварки в среде углекислого газа в наполнителе имеет сокращенное количество газообразующих компонентов. Сердечник такой проволоки в основном рутилового или рутил-флюоритного состава.

Проволока позволяет выполнять швы в нижнем и наклонном положениях. Порошковая проволока для сварки в среде углекислого газа выпускается марок: ПП-АН8, ПП-АН10, ПП-АН12, ПП-АН9 и др.

Самозащитная порошковая проволока имеет относительно небольшой коэффициент наплавки, пригодна для сварки горизонтальных, вертикальных швов и для сварки в нижнем и наклонном положениях. Сердечник такой проволоки рутил-органический или карбонат-флюоритный. Самозащитная проволока изготавливается марок: ПП-АНЗ, ПП-АН7, ПП-АН11, ЭПС-15/2, ЭПС-15М, СП-2, ППВ-5 и др.

Электрододержатели при ручной дуговой сварке используются для фиксации электрода и подвода к нему питания от одного из полюсов источника тока через сварочный кабель. Другой полюс соединяется с изделием с помощью кабеля массы и зажима кабеля массы.

В зависимости от используемых диаметра электрода и силы тока выпускаются держатели различных размеров. Они также различаются по способу фиксации и делятся на рычажные, пружинные, винтовые, пассатижные и др. В большинстве электрододержателей электрод можно закрепить в трех положениях относительно продольной оси рукоятки: 0°, 60° и 90°.

Среди всего многообразия применяемых электрододержателей наиболее безопасными являются пружинные («прищепки»), известные у нас как электрододержатели серий ЭП и ЭД (рис. 19). К их основным преимуществам можно отнести удобство эксплуатации, крепкое удержание электрода, полное отсутствие неизолированных зон токосъемника. Держатель-прищепка очень популярен, поэтому его используют многие профессиональные сварщики по всему миру. Эти электрододержатели выдерживают без ремонта от 8000 до 10 000 зажимов. Время замены электрода не превышает 3–4 с. «Прищепки» изготавливают нескольких типов в соответствии с ГОСТ 14651–78. Каждый тип рассчитан на использование при определенных сварочных токах номиналом от 125 до 500 А.

Рис. 19. Электрододержатель серии ЭП

Если вы купили новый сварочный аппарат, то в комплекте с ним обязательно должен быть заводской электрододержатель. Пользоваться, безусловно, нужно им. Широко известные у нас «вилки-трезубцы» использовать не стоит – они давно запрещены во всем мире.

Электрододержатели присоединяются к многожильному медному проводу – сварочному кабелю – марок КОГ (кабель особо гибкий) или КГ (кабель гибкий). Кабель следует подбирать в соответствии с характеристикой сварочного тока аппарата. Маркировка кабеля производится в соответствии с его сечением, количеством жил и диаметром.

Для бытового сварочного оборудования обычно используют кабели КГ 1 × 16, предназначенные для работы при токе 160 А, и с маркировкой КГ 1 × 25, для силы тока 250 А.

При использовании полупрофессиональных агрегатов с током до 350 А следует выбирать кабель с маркировкой КГ 1 × 35. Для оборудования с силой тока до 500 А применяют кабель с маркировкой не менее КГ 1 × 50.

Полная номенклатура сечения различных кабелей, расчетная масса и вольтаж представлены в специализированных каталогах, в которых можно предельно точно выбрать необходимые параметры кабеля по расчетным данным и ориентировочной силе тока.

В общем случае при токах до 300 А сечения сварочных проводов выбирают из расчета плотности тока до 5 А/мм². Например, для номинального тока сварки 250 А сечение сварочного кабеля S равно 50 мм², а суммарное сопротивление R прямого и обратного провода должно быть не более 2/250 = 0,008 Ом. Допустимая для заданного сечения общая длина L прямого и обратного провода определяется из простой формулы R=(ρ⋅L)/S.

Для кабеля с медными жилами (ρ = 0,017·10–6 Ом·м) она составит около 24 м, т. е. длина как прямого, так и обратного провода будет равна 12 метрам.

Применять провод длиной более 30 м не рекомендуется, так как это вызывает значительное падение напряжения в сварочной цепи и перегрузку сварочного аппарата.

Токоподводящий «земляной» провод соединяется с изделием специальными зажимами, чаще всего винтовыми струбцинками или зажимами типа «крокодил». Допустимо укладывать свариваемую деталь на металлический стол, надежно подсоединенный к сварочному источнику. Самодельные удлинители токоподводящего провода в виде кусков или обрезков металла не допускаются.

Для защиты сварщика от искр, брызг металла, механического давления, ожогов, удара электрическим током, ультрафиолетовых и инфракрасных лучей применяют специальные сварочные маски. Для защиты от излучений сварочной дуги в смотровое отверстие маски, кроме обычного стекла, вставляется светофильтр.

Существует несколько разновидностей масок: традиционного типа с фиксированным светофильтром, с подъемным светофильтром, а также маски типа «хамелеон». В первых двух случаях речь идет о так называемых «пассивных» шлемах. В качестве смотрового окна у них используется затемненное стекло, которое либо неподвижно (но тогда сложно разглядеть объект сварки до начала работ), либо откидывается наверх после окончания процесса сварки (материал при этом еще догорает, и смотреть на него без защиты тоже опасно).

«Активные» шлемы типа «хамелеон» автоматически реагируют на импульс света от сварки и изменяют степень своего затемнения, блокируя части светового спектра. Это позволяет нормально контролировать начало сварочного процесса. Источником питания световых фильтров в масках для сварки типа «хамелеон» служат солнечные батареи, а также заменяемые или встроенные литиевые элементы. Некоторые маски-«хамелеоны» оборудованы также респиратором. Это немаловажно, так как дым и газы, возникающие при сварочных работах, содержат вещества, представляющие большую опасность для легких. Правда, стоит такая защита довольно дорого, а в работе не очень удобна из-за солидного веса и приличных габаритов.

Для чистки и сушки светофильтра необходимо снять внутреннюю и внешнюю защитные пластины, затем протереть его чистой мягкой тканью, смоченной метиловым спиртом.

Кроме маски, полный комплект экипировки сварщика включает в себя специальный костюм, обувь и перчатки. Спецодежда для сварщика должна удовлетворять двум основным требованиям: ее наружная поверхность должна быть огнестойкой и термостойкой, а внутренняя (изнаночная) – влагопоглощающей. Исходя из этих требований, куртку и брюки шьют из брезента, парусины, замши и их комбинаций. Все они обрабатываются специальной пропиткой, которая придает им жаростойкость. Для одежды и обуви, защищающей от искр и расплавленного металла и выдерживающей прожигание не менее 50 с, ГОСТ предусматривает специальную пометку «Тр».

Экипировка сварщика обязательно включает в себя рукавицы или перчатки для защиты рук от контакта с нагретыми поверхностями и брызгами расплавленного металла.

Традиционная обувь для сварщиков – сапоги с укороченными голенищами или кожаные ботинки. Категорически запрещается работать в обуви с открытой шнуровкой или металлическими гвоздями в подошве.

Основы газовой (газопламенной) сварки

Газопламенная обработка металлов охватывает такие широко распространенные в промышленности и строительстве технологические процессы, как газовая сварка и наплавка, пайка, газовая и газоэлектрическая резка, термическая правка с применением газового пламени, пламенная поверхностная закалка, газовая металлизация, сварка пластмасс и других неметаллов.

Газовая сварка – это сварка плавлением, при которой для нагрева используется теплота пламени смеси газов, сжигаемой с помощью горелки[14]14
  Для сварки большинства металлов пригодно пламя с температурой не ниже 2500–3000 °C.


[Закрыть]. Газовую сварку выполняют как с применением присадочной проволоки (рис. 20), так и без нее, если формирование шва возможно за счет расплавления кромок основного металла. В качестве горючих газов применяют ацетилен, сжиженные газы на основе пропан-бутановых смесей, природный газ, в качестве окислителя – кислород или воздух.

Рис. 20. Газовая сварка:

1 – соединяемые детали; 2 – сварочная ванна; 3 – присадочный материал; 4 – газовое пламя; 5 – горелка

Ацетилен-кислородные смеси, обеспечивающие максимальную температуру пламени (> 3000 °C), могут быть использованы для любых процессов газовой сварки. Для сварки сталей толщиной до 4 мм с использованием специальной присадочной проволоки можно применять пропан-бутановые смеси.

При газопламенной обработке алюминия, латуни, свинца и других материалов, температура плавления которых ниже температуры плавления стали, целесообразно применять пропан-бутан. Для кислородной резки, пайки, наплавки, металлизации можно использовать любые газы – заменители ацетилена.

Газосварка проста, универсальна, не требует дорогостоящего оборудования и мощного источника электрической энергии. С ее помощью можно сваривать почти все металлы, применяемые в технике. Причем такие металлы, как чугун, медь, свинец, латунь, легче поддаются газовой сварке, чем дуговой. Газовая сварка необходима и применяется при изготовлении и ремонте изделий из тонколистовой стали (1–3 мм); при ремонте изделий из чугуна, бронзы, силумина; при монтаже и ремонте трубопроводов отопления, водопровода, газопровода из труб малых (до 50 мм) диаметров и при подобных работах; при сварке изделий из алюминия, меди, латуни, свинца; при наплавке латуни на чугунные или стальные детали (поршни, штоки гидросистем); при сварке ковкого и высокопрочного чугуна с применением присадочных прутков из латуни и бронзы.

К недостаткам газовой сварки относятся меньшая производительность и бóльшая зона нагрева, чем при дуговой сварке. При газовой сварке концентрация тепла меньше, чем при дуговой, поэтому разогреву подвергается бóльшая зона и увеличивается коробление. Газосварочный процесс почти не поддается механизации и автоматизации. Кроме того, газовая сварка – источник повышенной пожаро– и взрывоопасности.

Качество сварных соединений, выполняемых газовой сваркой, выше, чем дуговой электродами с тонким покрытием, но несколько ниже, чем качественными электродами. Дело в том, что при газовой сварке не происходит легирования наплавленного металла, в то время как при дуговой сварке качественными электродами, в покрытии которых содержатся ферросплавы, производится довольно значительное легирование.

Производительность газовой сварки, высокая при малой толщине основного металла, быстро снижается с увеличением его толщины. При толщине металла 0,5–1,5 мм производительность газовой сварки может быть выше, чем дуговой. С увеличением толщины металла до 2–3 мм скорости газовой и дуговой сварки становятся одинаковыми, а затем с увеличением толщины металла разница быстро возрастает в пользу дуговой сварки. Например, при сварке стали толщиной 1 мм скорость составляет около 10 м/ч, а толщиной 5 мм – 2,5 м/ч. Далее, при малой толщине абсолютный расход газов на 1 м сварного шва невелик, но с увеличением толщины основного металла быстро растет расход газов и времени на сварку, и газовая сварка становится дороже дуговой; разница в стоимости быстро увеличивается с возрастанием толщины основного металла. Поэтому газовая сварка стали толщиной более 4 мм практически не применяется.

К особенностям газовой сварки следует также отнести почти исключительное выполнение сварных швов за один проход. Получение швов в несколько слоев, широко практикуемое в дуговой сварке, почти не применяется при газовой.

Газовое пламя менее яркое, чем сварочная дуга, оно не обжигает лицо, поэтому для защиты глаз сварщика достаточно очков с цветными стеклами.