Понятие о свариваемости

Свариваемость металлов - их свойство, характеризующее способность образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и условиям эксплуатации изделия.

Сущность понятия

1. Физическая свариваемость - свойства конкретных металлов без каких-либо внешних условий образовывать сварное соединение на уровне межатомных связей.

2. Технологическая свариваемость - способность образовывать качественное соединение только при конкретных условиях и технологии сварки.

Физической свариваемостью обладают почти все однородные металлы, но величина этой свариваемости для различных металлов неодинакова. Самая большая физическая свариваемость у Н (угл. ст.) ?

Разнородные металлы, как правило, физической свариваемостью не обладают, поэтому их очень ограничено можно сваривать плавлением.

Свариваемость не является неизменным свойством металлов. Она зависит от:

• состава металла и его физических свойств;

• способа и режимов сварки;

• состава присадочного материала, флюсов, покрытий электродов, защитного газа;

сопровождающих условий (предварительный, сопутствующий подогрев, термообработка);

• формы и размеров изделий;

• условий эксплуатации.

Основные показатели свариваемости металлов и сплавов

! 1 Чувствительность к тепловому воздействию сварки.

! 2 Сопротивляемость образованию горячих и холодных трещин.

! 3 Сопротивляемость образованию закалочных структур (?)

4. Окисляемость металлов в условиях сварки.

5. Чувствительность к образованию газовых пор.

6. Соответствие свойств сварочных соединений заданным эксплуатационным требованиям.

При оценке свариваемости рекомендуется следующий подход:

• рассматривается поведение металла при сварке, в том числе и с окружающей средой, - делается выбор вида способа сварки и средств защиты сварочных ванн;

• оценивается реакция металла на сварочный нагрев - для выбора источника нагрева и режимов сварки.

Классификация стали по свариваемости

Наибольшее влияние на свариваемость оказывает С. По мере его увеличения свариваемость ухудшается, так как больше проявляются:

• склонность к образованию горячих и холодных трещин;

• чувствительность к закалке;

• сложно обеспечить равное тепло в металле, и, как следствие,

равнопрочность сваренного соединения.

В зависимости от содержания С, стали по свариваемости делят на 4 группы:

1 Хорошо свариваемые (до 0,25% С) - низкоуглеродистые - всё, низколегированные - те, в которых легирующие элементы не влияют на свариваемость [влияют на свариваемость следующие легирующие элементы - Мп, Сг (хром), Мо (молибден), V (ванадий), Ni, Си] - свариваются без образования закалочных структур и трещин, относительно лояльны к сварочному нагреву, не требуют специальных сварочных материалов и технологий сварки, не имеют ограничений по температуре окружающей среды, толщине свариваемых деталей, пространственному положению сварки. Параметры режима сварки могут регулироваться в широком диапазоне. Сварку можно проводить всеми видами и способами.

2. Удовлетворительно свариваемые (0,25-0,35%С) - среднеуглеродистые, низко легированные, имеющие легирующие элементы (0,25%), отдельные сределегированные, в которых нет легирующих элементов. Мало склонны к образованию трещин и закалочных структур при правильном выборе основных режимов сварки. Незначительно реагируют на сварочных нагрев, но в условиях пониженных температур окружающей среды могут перегреваться, поэтому в отдельных случаях требуют предварительного подогрева.

3. Ограничено свариваемые (0,35-0,45%С) - не склонны к образованию трещин. Возможность регулирования свариваемости изменением режимов сварки резко ограничена. Требуется предварительный и сопутствующий подогрев. Среднеуглеродистые и среднелегированные. Рекомендуется сварочные материалы подбирать с пониженным содержанием углерода, с большей пластичностью металла и с меньшим содержанием вредных примесей.

4. Плохо свариваемые (> 0,45%С) - очень склонны к закалке и образованию трещин. Требуют при сварке предварительный и сопутствующий подогрев и специальные технологические приемы. Как правило, сварка выполняется в один проход, на большой Y скорости, без поперечных колебаний с минимально возможной короткой длиной дуги. После сварки требуется термообработка. Высокоуглеродистые (до 0,8% С), высоколегированные (в зависимости от степени легирования и легирующих элементов).

Для определения отношения метала к группе по свариваемости есть его количественная оценка - эквивалентное содержание (С_э):

С_э = С + Мп/6 + (Cr +Мо + V)/5 + (Ni + Cu)/15 Этой формулой лучше пользоваться для металлов толщиной менее 15мм. Для более толстого металла учитывают его толщину:

С_э = С = Мп/6 + (Сг +Мо + V)/5 + (Ni + Cu)/6 + 0,025'Sm Рассчитанные no этим формулам С_э для конкретной марки стали сравниваются с ее критическим значением:

а) Для углеродистой стали <0,15 температура определяется по следующей формуле:

Т_п - 350 • V С_э' 0,25

С_э = С + Mn/20 + Ni/15 + (Cr +Мо + V)/10 + 0,025'Sm

№ 6 Основные виды и последовательность работ по подготовке металла к сварке

Подготовка металла для сварки заключается в последовательном выполнении следующих операций: правке, разметке, резке и сборке.

Кроме этого, после определенных операций производится очистка металла от различных загрязнений. Таким образом, полный технологический цикл подготовки металла для сварки можно представить в следующем виде:

Правкой называется устранение деформаций металла после проката, литья и поковки. Чаще всего в качестве исходного материала для сварочных работ, нуждающихся в правке, является прокат: лист, полоса, лента, труба, уголок, швеллер, тавр, двутавр.

Разметка представляет собой нанесение на металл конфигурации заготовки в натуральную величину с чертежа или шаблона.

Резка представляет собой процесс получения заготовки детали путем вырезки по намеченному контуру.

Сборка деталей для сварки есть процесс их правильной взаимной установки и закрепление. Сборка деталей для сварки осуществляется прихватками или в специальных сборочно-сварочных приспособлениях.

Прихватки представляет собой короткие швы с поперечным сечением до Уз сечения полного шва. Длина прихваток колеблется от 20 до 100мм в зависимости от толщины свариваемых деталей и длины шва. Расстояние между прихватками колеблется от 200 до 1000мм и определяется технологическими условиями сварки.

Существуют определенные правила выполнения прихваток, основными из которых являются:

1. Прихватки ставят как с лицевой стороны в разделке, так и в торце или с обратной стороны свариваемых деталей.

2. Поверхность прихваток перед наложением основного шва очищают от шлака.

3. При сварке прихватки удаляют или переплавляют с металлом основного шва.

Необходимо иметь в виду, что прихватки придают свариваемому изделию

излишнюю жесткость и препятствуют перемещению детали при его нагреве и охлаждении. Кроме того, прихватки при последующем наложении шва снижают его однородность. Поэтому их, как правило, применяют для конструкций из листов небольшой толщины (до 6...10мм).

При большей толщине свариваемого металла необходимо обеспечивать податливость деталей при нагреве и охлаждении. Поэтому сборку для сварки осуществляют на механических сборочно-сварочных приспособлениях.

Сборочно-сварочные приспособления разделяются на:

1. Переносные (струбцины, стяжки, фиксаторы, распорки, домкраты и др.).

2. Стационарные (кондукторы, кантователи, манипуляторы, установщики, роликовые стенды и др.).

Стационарные сборочно-сварочные приспособления кроме сборки обеспечивают и процесс сварки деталей в удобном для сварщика положении.

Точность сборки контролируют специальными шаблонами, измерительными приборами и щупами.

После определенных технологических операций по подготовке металла к сварке производится его очистка.

Очисткой называется процесс удаления с поверхности металла загрязнений, ржавчины и окалины. Очистке подвергается сильнозагрязненный металл после правки. Если металл не сильно загрязнен, то его очистку делают после резки. После резки очистка металла обязательна. Это объясняется необходимостью удаления заусениц с кромок деталей после штамповки и механической резки, а также удалением окалины и шлаков после термической обработки. Кроме того, очистке обязательно подвергаются кромки деталей и прилегающая к ним зона на расстоянии 15...20мм непосредственно перед сваркой для удаления ржавчины, окалины, масел, краски и других загрязнений.

Для очистки металла используют установки с наждачными кругами (для малых деталей) и шлифмашинки или дробеструйные установки (для деталей больших габаритов). Очистку кромок иногда производят пламенем газовой горелки для удаления окалины, краски и масел или химическим способом - травление в водных растворах кислот или щелочей.

Необходимо помнить, что при сварке металла с неочищенной поверхностью возникают различные дефекты шва (поры, трещины и т.д.) и ухудшается формирование шва, т.е. резко снижается качество и прочностные характеристики сварного соединения.

№ 7 Сварочная дуга

Сварочной дугой называется электрический термический разряд, используемый для сварки. В отличие от обычной дуги сварочная дуга представляет собой электрический дуговой разряд в ионизированной смеси не только газов, но и паров металла и компонентов, входящих в состав электродных покрытий, флюсов и т.д.

Сварочная дуга характеризуется:

1. Необходимой по времени длительностью.

2. Малым газовым промежутком (длиной дуги) от 1 до 10мм.

3. Низким электрическим напряжением (от 9 до 45В).

4. Широким диапазоном по току (от 5 до 5000А).

Сварочная дуга является частью электрической сварочной цепи.

При сварке на постоянном токе электрод, присоединенный к положительному полюсу источника питания дуги, называют анодом, а к отрицательному - катодом. Таким образом, при прямой полярности анодом является свариваемая деталь, а катодом - электрод.

Если сварку ведут на переменном токе, то каждый из электродов является попеременно анодом или катодом. Промежуток между катодом и анодом называют областью дугового разряда, или дуговым промежутком, а длину дугового промежутка - длиной дуги.

По длине дугового промежутка в сварочной дуге принято выделять 3 области:

• катодную;

• анодную;

• столб дуги.

Катодная область включает в себя нагретую поверхность катода, называемую катодным пятном, и часть дугового промежутка, примыкающего к ней. Протяженность катодной области мала. Она характеризуется процессом эмиссии (выхода) электронов, являющимся необходимым условием существования дугового разряда. Температура катодного пятна на стальных электродах достигает + (2400-3000) °С. В катодном пятне выделяется до 38% общей теплоты дуги. Основным физическим процессом в этой области является выход и разгон электронов. Выход электронов с катода объясняется термическим эффектом - нагревание поверхности электрода до высокой температуры, при которой связь электрона с ядром атома ослабевает, и он под действием электромагнитного поля отрывается от катода и устремляется к аноду. С увеличением температуры нагрева катода число испускаемых электронов увеличивается.

Анодная область состоит из анодного пятна на поверхности анода и части дугового промежутка, примыкающего к нему. Анодное пятно является местом входа и нейтрализации свободных электронов в материале анода. Протяженность данной области также мала. Она имеет большую, чем катод, температуру (до 4000 °С) за счет бомбардировки электронами.

Столб дуги расположен между катодной и анодной областями имеет наибольшую протяженность в дуговом промежутке. В нем протекают 3 важных физических процесса:

1. Ионизация.

2. Рекомбинация.

3. Образование плазмы и плазменных струй.

Ионизация является основным процессом в столбе дуги. Ионизацией называется процесс образования электрически заряженных частиц (электронов и ионов) в столбе дуги. Сущность ионизации заключается в том, что электроны, вылетевшие из катодного пятна, разгоняются под действием электромагнитного поля. Летя к аноду, они соударяются с нейтральными атомами газа. При достаточной энергии соударения частицы газа теряют свои электроны и образуют положительные ионы. Такую ионизацию называют ионизацией соударения. Соударение может произойти и без ионизации, тогда энергия соударения выделяется в виде теплоты и идет на повышение температуры столба дуги. Повышение температуры ускоряет движение свободных электронов и число их соударений, что приводит к общему усилению ионизации столба дуги.

Образовавшиеся в процессе соударений положительные ионы летят к катоду. Одни из них, обладающие значительной энергией, достигают его, выбивая дополнительные электроны. Другие, не имеющие достаточной энергии, катода не достигают, а присоединяют к себе отрицательно заряженные электроны, образуя нейтральные атомы. Процесс образования нейтральных атомов называется рекомбинацией.

При всех, условиях горения дуги в ее столбе наблюдается устойчивое равновесие между процессами ионизации и рекомбинации, то есть в каждом его сечении одновременно находится равное количество противоположно заряженных частиц. Таким образом, рекомбинация уравновешивает процессы в дуге, делая ее электрически нейтральной.

Нагретый до высокой температуры ионизированный (с заряженными частицами - отрицательными электронами и положительными ионами) газ называется плазмой. Наличие плазмы приводит в образованию плазменных струй в направлении от катода к аноду.

Сварочная дуга, как любой проводник тока, обладает электрическим сопротивлением. Это приводит к падению напряжения в столбе дуги. Наиболее интенсивное падение напряжения наблюдается у катода и анода. Падение напряжения в столбе дуги зависит от состава газовой среды и уменьшается с введением в нее щелочных и щелочноземельных металлов (калий, натрий, кальций, барий и др.)

Практически напряжение дуги зависит лишь от материала электродов и состава среды дугового промежутка и при их неизменности остается постоянным при различных условиях сварки. Тогда, учитывая малую длину катодной и анодной областей, можно считать длину ее столба искомой длиной дуги. Отсюда вытекает важный вывод - напряжение дуги находится в прямой зависимости от ее длины, с увеличением длины дуги напряжение в ней взрастает и наоборот.

№ 8 Классификация сварочных дуг

Сварочные дуги классифицируются:

1. По применяемым электродам:

• дуга с плавящимся электродом;

• дуга с неплавящимся (испаряющимся) электродом.

  2. По степени сжатия дуги:

• свободная дуга - дуга, горящая между электродом и объектом сварки;

• сжатая дуга - дуга, поперечное сечение которой принудительно уменьшено за счет сопла горелки, потока газов или электромагнитного поля.

3. По схеме подвода сварочного тока:

• дуга прямого действия;

• дуга косвенного действия.

3. По роду тока:

• дуга переменного тока;

• дуга постоянного тока;

3. По полярности постоянного тока:

• дуга прямой полярности («—» источника питания подключен к электроду,

«+» - к свариваемому изделию);

• дуга обратной полярности («+» источника питания подключен к электроду,

«—» - к свариваемому изделию).

3. На переменном токе различают:

• однофазную дугу;

• трехфазную дугу.

3. По длине (от конца электрода до свариваемого изделия):

• короткая дуга (2...4мм);

• нормальная дуга (4.. .6мм);

• длинная дуга (> 6мм).

3. По виду вольтамперной характеристики:

• дуга с падающей характеристикой;

• дуга с жесткой характеристикой;

• дуга с возрастающей характеристикой.

Дуга с падающей вольтамперной характеристикой используют при ручной дуговой сварке плавящимися электродами и неплавящимися электродами в инертных газах. Жесткую и возрастающую характеристику дуги применяют при полуавтоматической и автоматической сварке плавящимися электродами под флюсом и в защитных газах.

№ 9 Условия зажигания и устойчивого горения дуги

Для получения качественного соединения необходимо обеспечить стабильность зажигания и горения дуги.

Под стабильностью зажигания и горения дуги понимают:

1. Устойчивое горение в процессе выполнения работы.

2. Быстрое зажигание при начале работы или смене электрода.

3. Малую чувствительность (в определенных пределах) к изменениям длины дуги.

4. Быстрое повторное зажигание после обрыва.

5. Необходимое по глубине проплавление основного металла.

Условия зажигания и устойчивого горения дуги зависят от различных факторов, основными из которых являются:

• род тока (постоянный или переменный);

• полярность при сварке на постоянном токе (прямая или обратная);

• диаметр электрода (плотность тока на электроде);

• состав покрытия электрода.

Для зажигания дуги всегда требуется большее напряжение, чем напряжение при горении дуги:

• на переменном токе - в 1,2-2,5 раза;

• на постоянном токе - в 1,2-1,4 раза.

Поэтому источник питания дуги должен иметь определенные возможности для обеспечения требуемого номинала напряжения. Таким напряжением для каждого источника питания дуги является напряжение холостого хода - напряжение, подводимое от источника питания к катоду и аноду при разорванной сварочной цепи. Оно определяется внешней характеристикой источника питания, представляющей собой зависимость изменения напряжения источника от сварочного тока.

В целях безопасности труда, при сварке на постоянном токе напряжение холостого хода не должно превышать 90В, а на переменном - 80В.

С момента начала горения дуги напряжение, подаваемое от источника питания, значительно снижается и достигает определенного значения, необходимого для устойчивого горения дуги.

В процессе горения дуги ток и напряжение находятся в определенной зависимости. Зависимость напряжения дуги от тока в сварочной цепи при постоянной длине дуги называется статической вольтамперной характеристикой дуги.