СВАРОЧНЫЕ РАБОТЫ

Основные понятия

Термины, определения и классификация. В нормальных условиях микронеровности поверхности деталей, загрязнения и оксидные пленки препятствуют сближению частиц металла. Для преодоления этих препятствий следует затратить энергию. Под действием приложенной энергии металл по кромкам свариваемых частей оплавляется, образуя жидкую фазу. Жидкий металл одной кромки перемешивается с жидким металлом другой кромки, в результате чего формируется сварочная ванна. При ее остывании металл кристаллизуется, образуя сварочный шов. Источником нагрева может быть электрическая дуга, пламя газовой горелки, расплавленный шлак, лазерные лучи и т.д. Вид затраченной энергии определяет класс сварки по физическим признакам: термический, термомеханический и механический.

К термическому классу сварки относятся соединения, получаемые местным плавлением поверхностей при помощи тепловой энергии. Теплоту для сварки можно получить при помощи: электрической дуги (дуговая сварка); от сгорания газовой смеси (газовая сварка); электронным или фотонным лучом (электронно-лучевая или лазерная сварка); сжиганием термитной смеси (термитная сварка); пропусканием электрического тока через расплавленный металл (электрошлаковая сварка) и т.д.

При дуговой сварке теплоту для плавления получают от электрической дуги, возникающей в узком зазоре между сварочным электродом и изделием (рис. 3.1). Электрическое сопротивление этого зазора поднимает температуру до 4500— 6000 °С, в результате чего расплавляются конец электрода и участок детали, подлежащий соединению посредством сварки.

После остывания металла получается сварочный шов, по прочности не уступающий основному металлу изделия. Особым видом дуговой сварки является плазменная сварка, при которой нагрев осуществляется сжатой дугой.

Рис. 3.1. Принципиальная электрическая схема цепи ручной электродуговой

сварки:

• 1 — электрод; 2— электрододержатель; 3— генератор; 4, 7- свариваемые детали;
• 5 — электрическая дуга; 6 — шов

При газовой сварке свариваемая кромка разогревается с помощью газовой горелки. Пламя, полученное на выходе из газовой горелки, создает температуру до 3000 °С и позволяет проводить сварку металлических кромок отдельных деталей, резать металл, нагревать его для гибки и т.д.

При лучевой сварке теплоту в зоне сварки получают, бомбардируя сварочную кромку направленным электронным или фотонным потоком. Электронный поток получают при помощи специального прибора — электронной пушки, а фотонный поток создают в лазерных установках.

При термитной сварке используют теплоту, полученную в результате сжигания термитной смеси, состоящей из алюминия и оксидов железа.

Термическая разделительная резка — процесс, обратный сварке, т.е. атомы металла сгорают в струе технически чистого кислорода, а полученные при этом продукты сгорания удаляются из зоны резания.

При электрошлаковой сварке плавление кромок свариваемых деталей обеспечивается теплотой, возникающей при протекании электрического тока через расплавленный электропроводный шлак.

К термомеханическому классу относят: кузнечную; контактную; диффузионную; прессовую сварку, использующую одновременно энергию механического и термического воздействия.

При кузнечной сварке кромки свариваемых деталей нагревают до требуемой температуры в специальных печах-горнах, а затем при помощи ударного механического воздействия соединяют их между собой. Если для соединения деталей используют механические прессы, а для нагрева — все ранее перечисленные способы термического воздействия, то такой вид сварки называют прессовым.

При контактной сварке соединяемые детали сдавливают между собой, а теплоту для сварки получают при протекании электрического тока через контактную часть деталей. В зависимости от площади контактной части свариваемых деталей различают контактную сварку точечную, стыковую, шовную и рельефную. Этот вид сварки получил широкое распространение в машиностроении вследствие своей экономичности и производительности. Контактная сварка легче всего поддается механизации и автоматизации, где механические роботы заменяют человека со сварочным электрододержателем.

При диффузионной сварке соединение деталей формируется за счет диффузии атомов из одной детали в другую, возникающей при относительно небольшом длительном нагреве и пластической деформации, получающейся в результате механического давления.

В механическом классе сварки соединение поверхностей осуществляется механическим воздействием (давление, трение, взрыв и т.д.) без использования внешнего источника теплоты.

При сварке трением нагрев свариваемых деталей обеспечивается за счет сил трения, возникающих при вращении деталей относительно друг друга при одновременном сдавливании их между собой.

При холодной сварке в результате сильного сдавливания деталей между собой происходит пластическая деформация металла, при которой атомы двух деталей настолько сближаются, что между ними возникают силы взаимодействия, создающие прочное соединение деталей.

При сварке взрывом атомы свариваемых кромок сближаются в результате направленного взрыва, при котором частицы быстро движутся навстречу друг другу и, соударяясь, сближаются настолько, что между ними возникают силы взаимодействия.

При ультразвуковой сварке силы взаимодействия между атомами возникают в результате колебаний кристаллической решетки металла под действием ультразвуковых колебаний.

Физико-химические процессы, возникающие при сварке. Вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях, различающихся силами взаимодействия атомов и молекул: твердое, жидкое и газообразное. Для твердого и жидкого состояний характерны небольшие расстояния между молекулами, между которыми действуют силы взаимного притяжения. Переход вещества из одного состояния в другое требует больших затрат энергии, прикладываемой извне. По мере перехода вещества в жидкое, а затем в газообразное состояние расстояния между молекулами увеличиваются, а силы их взаимодействия уменьшаются. Этот переход наглядно иллюстрирует процесс сварки: когда металл плавится, он частично переходит в жидкое состояние, а частично в газообразное, затем возникают обратные процессы, именуемые кристаллизацией.

Процесс плавления металла в зоне сварочного шва сопровождается сложными физико-химическими процессами и приводит к образованию соединения, отличающегося по своей структуре от основного металла.

Под физическими понимают процессы, которые не меняют строения элементарных частиц и не приводят к изменению химических свойств основного металла. К таким процессам относятся:

о протекание электрического тока и тепловые колебания кристаллической решетки;

о переход основного и электродного вещества из твердого состояния в жидкое (плавление), перемешивание их между собой, кристаллизация металла в зоне сварочной ванны;

о напряжения и деформации, возникающие в кристаллической решетке сварочного шва и прилегающей к нему зоны основного металла;

Химические процессы меняют свойства основного металла, в результате чего получаются новые соединения, имеющие иные свойства. К основным химическим процессам относятся: о химические реакции, возникающие в газовой и жидкой фазах и на их границах;

о образование оксидов, шлаков и других соединений, отличающихся по своим химическим свойствам от основного металла.

Весьма сложный процесс образования шва при сварке можно представить следующим образом. Плавление основного и присадочного материалов в процессе сварки происходит под действием концентрированной энергии, обеспечиваемой сварочной дугой, пламенем горелки или одним из других способов, которые описаны ниже. Если в зону сварки не подается дополнительный металл, то сварочная ванна образуется только за счет основного соединения. Но, как правило, сварочная ванна формируется в результате смешивания основного и присадочного металла, вносимого непосредственно в зону сварки электродом, сварочной проволокой и т.д. Сливаясь и перемешиваясь между собой, основной и присадочный металлы образуют общую сварочную ванну, границами которой служат оплавленные участки основного металла. Расплавленный в зоне подачи концентрированной энергии металл кристаллизуется, образуя сварочный шов.

Свойства сварных швов. На качественные показатели сварных соединений влияют такие факторы, как свариваемость металлов, их чувствительность к термическим воздействиям, способность окисляться.

Свариваемость металлов определяет способность отдельных металлов или их сплавов образовывать при соответствующей технологической обработке соединения, отвечающие заданным параметрам. На этот показатель оказывают влияние физические и химические свойства металлов, строение их кристаллической решетки, наличие примесей, степень легирования и т.д. Свариваемость может быть физическая и технологическая.

Под физической свариваемостью понимают свойство материала или его сплавов создавать монолитное соединение с устойчивой химической связью. Физической свариваемостью обладают практически все чистые металлы, их технические сплавы и ряд сочетаний металлов с неметаллами.

Технологической свариваемостью материала называют его реакцию на сварочный процесс и способность создать соединение, имеющее заданные параметры.

При определении критериев свариваемости металлов и их сплавов ориентируются на следующие их свойства: о чувствительность металла к тепловому воздействию, которое создается при сварке;

о склонность металла к росту зерна с сохранением пластических и прочностных свойств, к структурным и фазовым изменениям в зоне термического воздействия; о химическую активность металла, влияющую на его способность окисляться при термическом воздействии сварочного процесса; о сопротивляемость металла образованию пор и трещин в холодном и горячем состояниях.

На качество сталей оказывает влияние их раскисляемость, которая характеризуется содержанием марганца, кремния и некоторых других элементов и равномерностью их распределения в сплаве. По этому параметру различают три вида сталей: о кипящая сталь — отличается большой равномерностью распределения вредных примесей (особенно серы и фосфора) по толщине проката и получается при неполном раскислении металла марганцем. Характерной особенностью этого вида сталей является склонность к старению и образование кристаллизационных трещин в шве и околошовной зоне, что приводит к переходу в хрупкое состояние при отрицательных температурах;

о спокойная сталь — получается при равномерном распределении примесей, поэтому она менее склонна к старению и меньше реагирует на сварочный нагрев; о полуспокойная сталь — занимает промежуточное место между кипящей и спокойной.

Углерод оказывает наибольшее влияние на качество сварного соединения. Увеличение содержания углерода и ряда других легирующих элементов снижает свариваемость сталей, ухудшая качество шва.

Сварные соединения высокоуглеродистых высоколегированных сталей отличаются повышенным содержанием трещин и выполняются по специальной технологии.

Удовлетворительные стали, имеющие содержание углерода от 0,25 до 0,35 %, не склонны к образованию трещин и при правильно подобранных режимах сварки дают качественный сварной шов. Для улучшения качества сварки часто применяют предварительный подогрев свариваемого металла.

Ограниченно свариваемые стали имеют содержание углерода от 0,36 до 0,45 % и склонны к образованию трещин. Сварка требует обязательного подогрева.

Плохосвариваемые стали содержат более 0,45 % углерода. При их сварке требуются специальные технологические процессы.

Легирование стали одним или несколькими легирующими элементами (например, алюминием, ванадием, кобальтом, титаном) придает ей определенные физико-механические свойства. Повышение уровня легирования и прочности стали приводит к ухудшению ее свариваемости, и первостепенная роль в этом принадлежит углероду.

Низколегированные стали хорошо свариваются всеми способами плавления. Получение равнопрочного сварного соединения, особенно при сварке термоупрочненных сталей, вызывает определенные трудности. В зонах, удаленных от высокотемпературной области, возникает холодная пластическая деформация. При наложении в последующем сварных швов эти зоны становятся участками деформационного старения, что в конечном итоге приводит к снижению пластических и повышению прочностных свойств металла и соответственно к появлению холодных трещин.

В среднелегированных сталях увеличивается склонность к закалке, в связи с чем такие стали чувствительны к термическому циклу сварки. Их околошовная зона оказывается резко закаленной, а следовательно, и непластичной при всех режимах сварки, обеспечивающих удовлетворительное формирование шва. Поэтому с целью снижения скорости охлаждения около- шовной зоны при сварке этих сталей осуществляют предварительный подогрев свариваемого изделия.

При сварке высоколегированных хромистых 08X13,08Х17Т и некоторых других сталей следует учитывать их отличительные особенности:

о высокий порог хладноломкости стали, находящийся обычно в области положительных температур;

о склонность к значительной хрупкости металла в околошовной зоне;

о низкую пластичность и вязкость металла шва, выполненного сварочными материалами того же химического состава, что и сталь;

о невозможность устранить хрупкость термообработкой.

Сварку этих сталей необходимо выполнять с минимальным тепловложением, так как с увеличением энергии возрастает склонность зон сварного соединения к росту зерен, появлению микротрещин и падению пластичности. При этом снижается сопротивляемость сварного соединения локальным повреждениям и межкристаллической коррозии, возникает опасность коробления и появляется повышенный уровень остаточных напряжений. После сварки в ряде случаев требуется термообработка.

Способность металла окисляться под термическим действием сварочной дуги определяется его химической активностью. От этого напрямую зависит степень защиты сварочного шва: чем выше химическая активность металла, тем качественнее должна быть защита. Наибольшей химической активностью отличаются титан, ниобий, цирконий, вольфрам, молибден, тантал и некоторые другие металлы. При их сварке недостаточно применения флюсов, защитных газов и защитных покрытий, так как в защите нуждается не только сварочный шов, но и прилегающая к нему область. Самой эффективной защитой в данном случае служит сварка при разрежении или в среде инертного газа высокой чистоты.

Сварка остальных цветных металлов (меди, алюминия, магния, никеля и их сплавов) тоже требует высокой защиты, которую обеспечивают инертные газы, флюсы и специальные электродные покрытия. Для сварки сталей и сплавов на основе железа в качестве защитных средств используют флюсы и электродные покрытия.

Поры в сварочном шве возникают при выделении газов в процессе кристаллизации металла (азот, водород или оксид углерода, образующиеся в результате химических реакций) и при повышенной тугоплавкости, вязкости и плотности шлаков, которые не покидают пределы сварочного шва. Поры могут быть внутренними или наружными, располагаться по оси шва или на его границах, форма их может быть округлая, овальная или более сложная, а их размеры могут колебаться от нескольких микрон до нескольких миллиметров. Уменьшению пористости сварочного шва способствуют предсварочная подготовка, которая заключается в тщательной зачистке сварного соединения от грязи, масел, ржавчины и прочих посторонних включений, а также правильно подобранные режимы сварки, защитные покрытия и флюсы, вводимые в сварочную ванну.

Трещины в массиве шва и околошовной зоны могут быть: о горячие — возникают в процессе кристаллизации жидкой фазы металла в результате линейных сокращений металла, возникающих из-за внутренних напряжений. Размеры и направление горячих трещин зависят от соответствия материала, электродов и режимов сварки. Для оценки этого соответствия сначала сваривают пробный образец, который подвергают тщательному анализу. Наличие трещин может определяться визуально (при помощи лупы), а ответственные детали подвергают просветке или рентгеновскому облучению; о холодные — имеют микроскопический характер и возникают при температурах не более 200 °С. Причинами их появления выступают хрупкость металла при быстром его охлаждении, остаточные напряжения в сварных соединениях или повышенное содержание водорода.

Коррозия сварных соединений снижает прочность шва и его долговечность. В связи с большими структурными изменениями сварных соединений они обладают большей коррозийной активностью по сравнению с основным металлом.

Наиболее опасна межкристаллитная коррозия, которая проникает в глубь зерен, разрушая их. Избежать этого опасного явления помогают правильный подбор материалов, сварочных электродов, применение защитных покрытий с высокой коррозийной стойкостью. При сварке правильно подобранной проволокой получается шов с коррозийной стойкостью, большей чем у основного металла. На коррозийную активность сварочного шва оказывают влияние и режимы сварки.

Деформации и напряжения, возникающие в процессе сварки.

Термические воздействия, которым подвергаются свариваемые соединения, приводят к образованию напряжений в узлах кристаллической решетки и даже к деформациям. Напряжения и деформации могут быть как собственными, существующими в кристаллической решетке без приложения внешних сил, так и внешними, возникающими под действием приложенных нагрузок. Причинами образования собственных напряжений и деформаций сварных соединений является неравномерное распределение температурных воздействий и охлаждения. Кроме того, деформации могут вызываться механическим вмешательством в процессе правки сварных узлов. Собственные напряжения и деформации могут быть временными, т.е. существовать только в процессе термического воздействия, и остаточными, устойчиво сохраняющимися после прекращения сварки; они изменяют геометрию деталей, что сказывается на их качестве. Упругая деформация исчезает после прекращения сварки. Пластическая деформация полностью или частично остается после прекращения прикладывания сил. Общие деформации меняют размеры изделия или искажают его геометрию и обычно проявляются в небольших по размерам деталях, когда термическое воздействие охватывает значительную часть их объема. Местные деформации проявляются в виде выпучин, хлопунов и других местных искажений в крупногабаритных деталях, когда термическое влияние сварочного процесса распространяется на относительно небольшие зоны. Бывают деформации в плоскости (линейные), когда меняются размеры детали, и вне плоскости (объемные), которые проявляются в виде серповидности, грибовидности и т.д.

Для снижения сварочных напряжений и деформаций используют термические, механические и термомеханические методы.

К термическим методам относят предварительный нагрев во время сварки и отпуск после сварки. Подогрев металла перед сваркой (или в процессе сварки) снижает предел его текучести, тем самым уменьшает остаточные напряжения и деформации. Хотя этот метод не полностью исключает появление сварочных деформаций, при достаточно сильном нагреве (250 °С и выше) можно добиться того, что деформации будут находиться в допустимых пределах. Отпуск металла после сварки более эффективен и позволяет снизить остаточные напряжения и деформации на 85—90 %, а также способствует улучшению пластических свойств сварочного шва. Отпуск может быть общим, когда сваренную деталь нагревают до температуры 650 °С и медленно охлаждают, и местным, когда нагревают только часть конструкции в области сварочного шва.

Под механическими методами понимают обработку (проковку, прокатку, вибрацию, приложение местных нагрузок, ультразвуковое воздействие и т.д.) сваренных деталей, снижающую остаточные напряжения в кристаллической решетке.

Термомеханические методы предусматривают одновременно термическую и механическую обработку свариваемых конструкций и позволяют добиться максимального эффекта.

Кроме того, снизить вероятность появления остаточных напряжений и деформаций помогают рациональные приемы проведения сварочных работ, в частности правильное проектирование и конструирование сварного изделия, уменьшение массы наплавленного металла, снижение вносимой в зону шва теплоты за счет уменьшения сварных швов и сечений. Для этого следует избегать скоплений и перекрещиваний сварочных швов, симметричного их расположения и т.д. Деформациям свариваемых деталей препятствуют ребра жесткости, накладки, косынки и прочие приспособления.