Ручная сварка и наплавка

Особенности ручной сварки и наплавки. Рассмотрим некоторые понятия.

Сваркой называют технологический процесс получения не­разъемных соединений твердых металлов посредством установле­ния межатомных связей между свариваемыми деталями при их мес­тном нагреве или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого.

Наплавка — разновидность сварки и представляет собой процесс нанесения слоя металла на поверхность изделия. Согласно ГОСТ 19521 сварку и наплавку металлов классифицируют по физи­ческим, техническим и технологическим признакам.

К физическим признакам относят форму вводимой энергии, нали­чие давления и вид инструмента как носителя энергии.

В зависимости от вводимой энергии сварочные процессы разде­ляют на три класса: термический, термомеханический и механичес­кий.

К термическому классу относят такие виды сварки, которые вы­полняют плавлением с использованием тепловой энергии (дуго­вая, газовая, высокочастотная, термитная, электрошлаковая, плаз­менная, электронно-лучевая и лазерная); термомеханическому — сприменением тепловой энергии и давления (контактная, диффузи­онная, газопрессовая и взрывом); механическому — с использова­нием механической энергии и давления (трения, ультразвуковая и холодная).

К техническим признакам относят способ защиты зоны сварки, непрерывность процесса и степень механизации. По способу защи­ты металла сварка бывает в воздухе, вакууме, защитных газах, под флюсом, в пене и комбинированной защите.

В качестве защитных газов можно использовать активные газы (углекислый газ, азот, водород, водяной пар и их смеси), инертные газы (аргон, гелий, их смеси) и смеси активных и инертных газов.

По непрерывности процесса различают непрерывные и преры­вистые виды сварки, по степени механизации — ручные, механизи­рованные и автоматические.

По технологическим признакам сварка может быть дуговая, газо­вая, термитная, электрошлаковая, плазменная, электронно-луче­вая, лазерная, контактная, диффузионная, газопрессовая, ультра­звуковая, взрывом, трением и холодная.

При ремонте машин операции сварки и наплавки по сравнению с другими методами восстановления более распространены, так как с помощью них можно получить:

на рабочих поверхностях деталей слой любой толщины и хими­ческого состава;

наплавленный слой с разнообразными свойствами, т. е. высокой твердостью и износостойкостью, антифрикционные, кислотостой­кие, жаропрочные и др.

Сварка и наплавка при распределении работ по методам восста­новления занимают 70 % всего объема. Из 75 марок низкоуглероди­стой, легированной и высоколегированной сварочной проволоки, выпускаемой в России, примерно 35 % используют для механизи­рованной сварки, 60 % — при изготовлении электродов и только 5 % — для газовой сварки.

В ремонтных мастерских 80 % деталей восстанавливают дуговой сваркой и 20 % — газовой.

Дуговая сварка и наплавка. Дуговая сварка относится к сварке плавлением с помощью электрической дуги. Впервые явление электрической дуги было открыто в 1802 г. академиком В. В. Петро­вым. Если два электрода подключить к источнику тока и в дальней­шем их разъединить, то между ними в газообразной среде возникает дуговой разряд. В 1882 г. русский инженер Н. Н. Бернадос первым в мире применил эту электрическую дугу для целей плавления и свар­ки металла угольным электродом. Электрическая дуга горит между угольным электродом и свариваемой деталью. Присадочный мате­риал для заполнения сварочного шва вводят, в ванну извне в виде отдельного прутка.

Сварка угольным электродом имеет небольшое распростране­ние, и ее используют главным образом при сварке тонколистовых материалов (облицовка комбайнов), наплавке твердыми сплавами почворежущих деталей плугов, культиваторов и др.

В 1888 г. русским инженером Н. Г. Славяновым была изобретена дуговая сварка плавящимся металлическим электродом. Процесс сварки значительно упростился, и она получила наибольшее при­менение. Для получения электросварочной дуги используют посто­янный и переменный ток. Так сваривают малоуглеродистые, угле­родистые и легированные стали всех марок, чугун, цветные метал­лы, а также наплавляют твердые сплавы.

Чтобы полностью сплавить свариваемые кромки, когда толщину деталей нельзя проплавить за один проход, нужно выполнить раз­делку (скос) кромок в зависимости от их толщины и метода сварки.

Дуговую сварку классифицируют следующим образом:

по степени механизации — ручная, механизированная и автома­тизированная;

по роду тока — постоянный, переменный и пульсирующий;

по состоянию дуги — свободная и сжатая;

по числу дуг — одно- и многодуговая;

по полярности сварочного тока — прямой и обратный;

по виду электрода — плавящийся (металлический), неплавя-щийся (угольный, вольфрамовый и др.).

Физико-химические процессы при дуговой сварке и наплавке. В процессе сварки металл плавится, образуя сварочную ванну, а затем затвердевает в виде сварочного шва. Вместе с тем происходят неже­лательные явления (окисление металлов, поглощение азота, выго­рание легирующих примесей, объемные и структурные измене­ния), что приводит к короблению деталей, нарушению их термооб­работки и снижению прочности в сварочном шве. Эти процессы ха­рактерны для всех способов сварки плавлением.

Окисление металла (рис. 3.10, а) приводит к снижению меха­нических свойств сварочного шва. Поглощение азота (рис. 3.10, б) вызывает образование нитридов железа, марганца, что увеличивает прочность шва (а_в и а_т), но резко уменьшает ударную вяз­кость (а_к).

В зоне сварки происходят плавление, перенос электродно­го или присадочного металла, деформирование шва и другие процессы, которые влияют на производительность сварки, по­тери металла, устойчивость го­рения дуги и прочие определяю­щие качество сварки факторы.

Основная характеристика плавления электрода — линей­ная скорость его плавления в единицу времени, обусловленная составом электрода, покрытием, режимом сварки, плотностью и полярностью тока.

В общем случае скорость плавления электрода возрастает с уве­личением силы тока примерно по линейной зависимости. На пря­мой полярности выделяется теплоты примерно на 20 % больше, чем на электроде-катоде. На характер переноса электродного металла, форму и размер капли влияет также соотношение сил (сила тяжес­ти, сила поверхностного натяжения, электромагнитная сила, сила реактивного давления паров, аэродинамическая сила и др.), дей­ствующих на каплю металла на торце электрода.

Сила тяжести важна при сварке и наплавке на малых токах, ког­да капля под действием собственной массы стремится перемес­титься вниз, и играет положительную роль при сварке в нижнем положении, а также затрудняет процесс переноса капли в свароч­ную ванну при вертикальном и особенно в потолочном положени­ях. Сила поверхностного натяжения придает капле расплавленно­го металла форму шара и сохраняет ее до момента соприкоснове­ния с поверхностью сварочной ванны. В общем случае она способ­ствует увеличению размеров капель, образующихся на торце электрода.

Электромагнитная сила стремится деформировать проводник в радиальном направлении, и ее величина пропорциональна квадра­ту силы тока.

Реактивное давление паров влияет на характер переноса метал­ла. Оно возникает в результате образования и выделения газов при испарении металла с поверхности капли. Испарение происходит в области активных пятен (катодного и анодного), перемещение ко­торых вызывает подвижность капель.

Величина реактивных сил зависит от размеров активных пятен, плотности тока в них и теплофизических свойств материала элект­рода. Реактивное давление проявляется в большей мере на прямой полярности. Так, плотность тока в катодном пятне значительно выше, чем в анодном.

Аэродинамические силы характерны для мощных плазменных (газовых) потоков. Их величина определяется аэродинамическим торможением капли в газовом потоке и магнитокинематическими силами. Сила аэродинамического торможения пропорциональна плотности газа, его скорости и эффективной площади сечения капли, спроектированной на направление газового потока. С уче­том соотношения сил, действующих на каплю, перенос электро­дного металла может существенно изменяться. На тип переноса (крупнокапельный, мелкокапельный, туманообразный) влияют состав и толщина покрытия, режимы сварки, род тока и поляр­ность.

При температуре плавления металла наблюдается резкое изменение растворимости газов, что может привести к образ пор, так как при затвердевании металла газ из него удаляется. Кроме кислорода воздуха жидкий металл может окисляться водяным паром, диоксидом углерода и другими кислородсодержащими Особенно тщательна должна быть защита от воздуха при сварку химически активных металлов (титана, алюминия и их сплаве

По направлению действия различают следующие напряжения: продольные и поперечные, расположен­ные перпендикулярно к оси сварочного шва. Для низкоуглеродис­тых и низколегированных сталей в основном характерны свароч­ные напряжения первого рода, которые уравновешиваются внут­ренними напряжениями восстанавливаемой детали.

При разработке технологического процесса восстановления де­талей с помощью сварки и наплавки необходимо обеспечить мини­мальные значения сварочных напряжений или предусмотреть их снятие. Если значения сварочных напряжений достигнут предела текучести металла, то они вызовут его пластическую деформацию, т. е. коробление детали.

Деформации бывают временные, существующие только во вре­мя проведения сварочных работ, и остаточные, которые остаются после остывания деталей. В зависимости от формы и размеров дета­лей различают деформацию в плоскости, вызывающую уменьше­ние размеров конструкции, и угловую деформацию, которая вызы­вает образование выпучин, грибовидный изгиб и смещение осей цилиндрических поверхностей. Значение и характер остаточных напряжений в значительной степени определяются размерами и свойствами восстанавливаемых деталей, режимами сварки и на­плавки, последовательностью наложения швов и их формой. При растягивающих напряжениях в наплавленной детали снижается ус­талостная прочность, повышается коробление, возникает усадка по длине, а также ухудшается сопротивление детали переменным на­грузкам. Деформация изгиба увеличивается пропорционально квадрату длины валика.

По расположению в шве дефекты бывают наружные и внутренние.

К наружным дефектам относят продольные и попереч­ные горячие и холодные трещины, подрезы, кратеры, остатки шла­ка, неровная поверхность шва, наплывы и др.

Горячие {микро- и макроскопические) трещины (рис. 3.12, а) обра­зуются в процессе сварки углеродистых сталей при температуре 1200... 1350 °С. На образование трещин влияют вредные примеси (углерода, кремния, серы, фосфора и водорода) в металле валика. При наличии в сварочном шве полезных примесей (марганца, ни­келя и хрома) уменьшается вероятность появления горячих трещин. Кроме того, благодаря предварительному подогреву и рациональ­ному выбору режимов сварки и наплавки и порядка наложения швов снижается влияние растягивающих напряжений. Температу­ра подогрева, равная 150...700°С, зависит от химического состава i тплавляемого металла. Трещины образуются реже при увеличении коэффициента формы провара до 7 ед., т. е.

Холодные трещины (рис. 3.12, б и в) возникают при температуре ниже 400 °С. Их делят на закалочные и хрупкие.

Закалочные трещины образуются на границе сплавления в сред­не- и высоколегированных сталях перлитного и мартенситного классов вследствие того, что объем металла увеличивается и имеют место структурные напряжения. Если неизбежно образование мар­тенсита, то сварку и наплавку ведут малым током и с большой ско­ростью. Тогда иглы мартенсита будут маленькими и возникающие напряжения недостаточны для разрушения металла.

Хрупкие трещины появляются в наплавленном слое при его быс­тром охлаждении. Они распространяются из наплавленного метал­ла в основном с большой скоростью (1200...1800 м/с). Для их пре­дупреждения нужно предварительно подогревать детали перед на­плавкой, что способствует распаду аустенита, и после медленно ох­лаждать.

Появлению холодных трещин способствует повышенное содер­жание в металле серы, фосфора, водорода, кислорода и других вред­ных примесей.

Подрез (рис. 3.12, г и д) характеризуется наличием канавки у края шва. Он получается при сварке током большой силы или горелкой большой мощности.

Кратеры (незаправленные углубления), остатки шлака и неровные поверхности шва образуются в результате работы сварщика низкой квалификации.

Наплывы (рис. 3.12, е и ж) происходят при слишком быстром плавлении электрода и недостаточном нагреве свариваемого метал­ла.

К внутренним дефектам относят непровар корня шва или его кромки, поры, шлаковые включения, пережог металла шва и др.

Непровар (рис. 3.12, з...л) характеризуется плохим сцеплением или даже отсутствием сцепления наплавленного металла с основ­ным. Этот дефект получается при недостаточном прогреве сварива­емого или наплавляемого металла, малом угле разделки трещины, малом токе или малой мощности горелки, а также из-за большой скорости сварки.

Поры (рис. 3.12, м) возникают только на границе раздела фаз твердого и жидкого металла, что объясняется наличием в нем пу­зырьков газа СО, С0₂, Н₂ и др. Они образуются при большой влаж­ности электродов или неправильной регулировке газовой горелки, плохой очистке свариваемых и наплавляемых поверхностей от мас­ла, грязи и окалины.

Шлаковые включения (рис. 3.12, н) образуются при сварке длин­ной дугой или окислительным пламенем.

Пережог представляет собой окисленный крупнозернистый ме­талл шва вследствие применения тока большой силы, медленного перемещения электрода или горелки. Наружные дефекты швов контролируют визуально или через лупу с 10...20-кратным увеличе­нием. Для выявления трещин применяют травление шва 10%-м ра­створом азотной кислоты.

Внутренние дефекты обнаруживают ультразвуковым или метал­лографическим методом, просвечиванием шва рентгеновскими или гамма-лучами.

Сварочная дуга — электрический дуговой разряд в ионизирован­ной смеси газов, паров металла и компонентов, входящих в состав электронных покрытий, флюсов и т. д.

В зависимости от схемы подвода сварочного тока, условий горе­ния сварочной дуги и других признаков различают сварочные дуги следующих видов: дуга прямого действия, когда она горит между электродом и свариваемым металлом; дуга косвенного действия, когда она горит между двумя электродами, а свариваемый металл не иключен в электрическую цепь; дуга между двумя плавящимися •шсктродами и свариваемым изделием; сжатая дуга и др.

) [ля возбуждения дугового разряда и получения начальной иони-i;i ци и обычно два электрода или электрод и деталь сводят до сопри­косновения, а затем быстро разводят. Ток между электродами про­ходит через мелкие неровности на торцах и разогревает их до рас-ПЛавления. При быстром разведении электродов расплавляемые

1,3...2,5 напряжения дуги £/_д. Напряжение холостого хода источни­ка питания должно быть в 2...3 раза выше напряжения дуги. Темпе­ратура нагрева зависит от материала катода, состава газового проме­жутка, диаметра электрода и температуры окружающей среды.

Для ручной дуговой сварки, исходя из безопасности работы сварщика и легкого зажигания дуги, напряжение холостого хода обычно равно 50...70 В. Оно не должно быть более 80 В для источни­ков питания переменного тока и 90 В для источников постоянного тока. Время восстановления напряжения после короткого замыка­ния от 0 до напряжения зажигания дуги не должно быть более 0,05 с. Качество сварочного соединения и экономическая эффективность сварки зависят от правильного выбора режима сварки (диаметр электрода, сила сварочного тока, напряжение, скорость сварки, ко­эффициенты наплавки, расплавления и потерь).

Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины восста­навливаемой детали. При сварке деталей толщиной до 4 мм его диа­метр принимают равным толщине восстанавливаемой детали. В других случаях диаметр, мм, целесообразно выбирать по графику (рис. 3.14) или подсчитывать по эмпирической формуле

Сила сварочного тока 1_СВ определяет качество и производитель­ность работ. Она зависит от толщины свариваемого металла S, диа­метра электрода d, коэффициента теплопроводности А,, типа сва­рочного соединения, скорости сварки, положения сварочного шва в пространстве. Сила сварочного тока, А,

С увеличением теплопровод­ности металла сила сварочного тока увеличивается и для алю­миния. Тогда

При сварке легированных сталей с пониженной теплопро­водностью за счет содержания в них легирующих элементов (Ni, Сг, W, Мп) и склонных к образо-