3187

лопроводности. Особенностью светового нагрева является отражение части энергии поверхностью металла. Степень отражения зависит от состояния поверхности свариваемого металла. Нанесение специальной поглощающей пленки повышает КПД процесса.

Световые источники нагрева, использующие солнечную энергию или энергию искусственных источников света — ксеноновых или кварцевых ламп, — по своей физической сущности мало отличаются от лазерных, хотя некоторые их параметры, прежде всего малая удельная тепловая мощность, снижают эффективность указанных источников теплоты.

4.4.4. Газовое пламя

Газовое пламя как источник сварочной теплоты образуется чаще всего за счет сгорания в специальных горелках ка- кого-либо горючего газа, например ацетилена, кислорода. Структура подобного пламени показана на рис. 4.5. Ацетиле- но-кислородное пламя имеет три зоны: 1 — ядро голубого цвета, 2 — рабочая зона, окрашенная в фиолетовый цвет, 3 — факел. Рабочая зона состоит из продуктов неполного сгорания ацетилена (СО и Н2). В этой зоне выделяется большое количество теплоты, а образующаяся газовая среда имеет восстановительный характер и надежно защищает металл сварочной ванны от окисления и азотирования. Процесс полного сгорания ацетилена завершается в зоне 3 за счет кислорода воздуха.

Пламя, получаемое при указанном ниже соотношении кислорода и ацетилена, называется нормальным. Для его получения необходимо, чтобы в смеси газов на один объем химически чистого кислорода приходился один объем ацетилена. Однако на практике для питания горелки используют технический кислород, содержащий небольшое количество примесей. Этим и объясняется, что практически для получения нормального пламени соотношение газов смеси составляет

β = О2 / С2Н2 = 1,1…1,2.

161

Рис. 4.5. Строение сварочного ацетилено-кислородного пламени: I — VI — расстояния от торца мундштука горелки

Нормальное пламя используют для сварки низкоуглеродистых, низколегированных и высоколегированных сталей, а также для сварки меди, магниевых сплавов, алюминия, цинка, свинца и др. При сварке цветных металлов, окислы которых не восстанавливаются газами пламени, необходимо применять флюсы, содержащие химические растворители этих окислов.

Окислительное пламя образуется при β = 1,3…1,5. Окислительным пламенем сваривают латуни. Науглероживающее пламя получается при β = 1. Такое пламя используют при сварке высокоуглеродистых сталей, чугуна и при наплавке твердых сплавов.

4.4.5. Ручная дуговая сварка

Ручную электродуговую сварку можно осуществлять металлическим (плавящимся) электродом, угольным электро-

162

дом без защиты, a также угольным или вольфрамовым электродами в среде защитных газов.

Электроды после зажигания дуги перемещают вдоль заготовки. В процессе сварки металлическим покрытым электродом (рис. 4.6) дуга 8 горит между стержнем электрода 7 и основным металлом 1. Стержень электрода плавится, и расплавленный металл каплями стекает в металлическую ванну 9. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода 6, образуя газовую защитную атмосферу 5 вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну 4 на поверхности расплавленного металла. Металлическая и шлаковая ванны вместе образуют сварочную ванну. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает и формируется сварной шов 3. Жидкий шлак после остывания образует твердую шлаковую корку 2.

Рис. 4.6. Схема процесса сварки металлическим покрытым электродом

В перегретой сварочной ванне протекает ряд металлургических процессов: испарение или окисление (выгорание) некоторых легирующих элементов, например углерода, марганца, кремния, хрома и др., и насыщение расплавленного ме-

163

талла кислородом, азотом и водородом из окружающего воздуха. В результате возможно изменение состава сварного шва по сравнению с электродным и основным металлом, а также понижение его механических свойств, особенно вследствие насыщения шва кислородом. Для обеспечения заданных состава и свойств шва в покрытие вводят легирующие элементы и элементы-раскислители.

Кристаллизация сварного шва начинается от границ оплавленного основного металла и протекает путем роста столбчатых кристаллитов к центру шва. Вследствие дендритной ликвации примеси располагаются по границам кристаллитов, где они могут образовать легкоплавкие эвтектики и неметаллические включения. Это снижает механические свойства шва и в отдельных случаях может быть причиной образования горячих трещин.

Электроды для ручной сварки представляют собой стержни с нанесенными на них покрытиями. Стержень изготовляют из сварочной проволоки повышенного качества. Стандарт на стальную сварочную проволоку предусматривает 77 марок проволоки диаметром 0,2…12 мм.

На электроды наносят специальные покрытия с целью:

1)создания шлаковой и газовой защиты расплавленного металла сварочной ванны (шлак защищает и капли металла в процессе перехода их с электрода в шов, обволакивая их);

2)раскисления наплавленного металла с помощью добавок в покрытие таких элементов, как Mn, Si, Ti, A1 в виде ферросплавов или чистых элементов;

3)легирования наплавленного металла, что позволяет

изменять его химический состав, а также расширяет возможность получения требуемых свойств наплавленного металла;

4) улучшения стабильности горения дуги посредством включения в покрытие элементов с малым потенциалом ионизации.

Ручная дуговая сварка применяется главным образом в изделиях, имеющих короткие и прерывистые швы, швы сложной конфигурации, т. е. там, где трудно или невыгодно при-

164

менять автоматические методы сварки. Положительной стороной ручной сварки является возможность производить сварку в любом пространственном положении, что особенно важно для сварки в монтажных условиях.

К недостаткам ручной дуговой сварки относятся: трудности сварки тонкого материала (менее 1…2 мм), длительный срок обучения сварщика высокой квалификации (1,0…1,5 г), большая зависимость качества сварки от индивидуальных особенностей сварщика, малая производительность.

Ручной дуговой сваркой можно сваривать стали, чугун, медь и медные сплавы. Естественно, что для каждого металла и его сплавов необходимо применять соответствующие электродные проволоки и покрытия.

Режим ручной дуговой сварки. Основным параметром режима ручной дуговой сварки является сварочный ток, который выбирают в зависимости от диаметра и типа металла электрода:

Iсв = kdэ ,

где k — опытный коэффициент, равный 40…60 для электродов со стержнем из низкоуглеродистой стали и 35…40 для электродов со стержнем из высоколегированной стали, А/мм; dэ — диаметр стержня электрода, мм.

Диаметр электродов выбирают, исходя из толщины ста-

ли.

При толщине стали до 6 мм сваривают по зазору без разделки кромок заготовки. При больших толщинах металла выполняют одностороннюю или двустороннюю разделку кромок под углом 60°. Разделка необходима для обеспечения полного провара по толщине. Металл толщиной свыше 10 мм сваривают многослойным швом.

165

4.4.6. Автоматическая дуговая сварка под флюсом

Процесс ручной сварки, обладая рядом преимуществ, имеет два недостатка — малую производительность и неоднородность шва, зависящих от квалификации сварщика. Кроме того, производительность ручной сварки ограничивается максимально допустимым значением сварочного тока для применяемых при ручной сварке диаметров электродов. При больших токах электрод длиной 350...450 мм сильно перегревается, что затрудняет нормальный процесс сварки.

Механизация движений электрода позволила автоматизировать процесс сварки. Для получения качественных сварных швов взамен электродных покрытий применяют гранулированное вещество, называемое флюсом.

Автоматическая сварка под флюсом производится с помощью автоматической установки (сварочная головка или сварочный трактор). Эта установка подает электродную проволоку и флюс в зону сварки, перемещает дугу вдоль свариваемого шва и поддерживает стабильное ее горение.

Принципиальная схема автоматической сварки под флюсом представлена на рис. 4.7. Электродная проволока 3 с помощью ведущего 5 и нажимного 4 роликов подается в зону сварки. Кромки свариваемого изделия 7 в зоне сварки покрываются слоем флюса, подаваемого из бункера 1. Толщина слоя флюса составляет ~ 30…50 мм. Сварочный ток подводится от источника тока к электроду через токоподводящий мундштук 6, находящийся на небольшом расстоянии (40…60 мм) от конца электродной проволоки. Благодаря этому при автоматической сварке можно применять большие сварочные токи. Дуга 11 возбуждается между свариваемым изделием и электродной проволокой. При горении дуги образуется ванна расплавленного металла 10, закрытая сверху расплавленным шлаком 9 и оставшимся нерасплавленным флюсом 8. Нерасплавившийся флюс отсасывается шлангом 2 обратно в бункер. Пары и газы, образующиеся в зоне дуги, создают вокруг дуги замкнутую газовую полость 12. Некоторое избыточное давле-

166

ние, возникающее при термическом расширении газов, оттесняет жидкий металл в сторону, противоположную направлению сварки. У основания дуги (в кратере) сохраняется лишь тонкий слой металла. В таких условиях обеспечивается глубокий провар основного металла. Так как дуга горит в газовой полости, закрытой расплавленным шлаком, то значительно уменьшаются потери теплоты и металла на угар и разбрызгивание.

Рис. 4.7. Схема автоматической сварки под флюсом

По мере перемещения дуги вдоль разделки шва наплавленный металл остывает и образует сварной шов. Жидкий шлак, имея более низкую температуру плавления, чем металл, затвердевает несколько позже, замедляя охлаждение металла шва. Продолжительное пребывание металла шва в расплавленном состоянии и медленное остывание способствуют выходу на поверхность всех неметаллических включений и га-

167

зов, получению чистого, плотного и однородного по химическому составу металла шва.

Автоматическая сварка под флюсом имеет следующие основные преимущества перед ручной сваркой:

высокая производительность, превышающая производительность ручной сварки в 5…25 раз. Она обеспечивается применением больших токов (до 2000 А), более концентрированным и полным использованием теплоты в закрытой зоне дуги, снижением трудоемкости за счет автоматизации процесса сварки;

увеличение силы тока позволяет сваривать металл большой толщины (до 20 мм) за один проход без разделки кромок; высокое качество сварного шва вследствие хорошей защиты металла сварочной ванны расплавленным шлаком от кислорода и азота воздуха, легирования металла шва, увеличения плотности металла при медленном охлаждении под

слоем застывшего шлака; экономия электродного металла при значительном сни-

жении потерь на угар, разбрызгивание металла и огарки. При ручной сварке эти потери достигают 20…30%, а при автоматической сварке под флюсом они не превышают 2…5%;

экономия электроэнергии за счет более полного использования теплоты дуги. Затраты электроэнергии при автоматической сварке уменьшаются на 30…40%.

Кроме этих преимуществ, следует отметить, что при автоматической сварке условия груда значительно лучше, чем при ручной сварке: дуга закрыта слоем шлака и флюса, выделение вредных газов и пыли значительно снижено, нет необходимости в защите глаз и кожи лица сварщика от излучения дуги, а для вытяжки газов достаточно естественной вытяжной вентиляции. К квалификации оператора автоматической сварочной установки предъявляются менее высокие требования.

Однако автоматическая сварка имеет и недостатки: ограниченная маневренность сварочных автоматов, сварка выполняется главным образом в нижнем положении.

168

Под флюсом сваривают стали различных классов. Автоматическую сварку широко применяют при изготовлении котлов, резервуаров для хранения жидкостей и газов, корпусов судов, мостовых балок и других изделий. Она является одним из основных звеньев автоматических линий для изготовления сварных автомобильных колес и станов для производства сварных прямошовных и спиральных труб.

4.4.7. Дуговая сварка в защитном газе

При сварке в защитном газе электрод, зона дуги и сварочная ванна защищены струѐй защитного газа.

В качестве защитных газов применяют инертные газы (аргон и гелий) и активные газы (углекислый газ, азот, водород и др.), иногда — смеси двух газов или более. В нашей стране наиболее распространено применение аргона Аr и углекислого газа CO2.

Аргонодуговой сваркой можно сваривать неплавящимся и плавящимся электродами. Сварку неплавящимся электродом применяют, как правило, при соединении металла толщиной 0,5…6 мм; плавящимся электродом — от 1,5 мм и более. Сварку неплавящимся электродом ведут на постоянном токе прямой полярности.

Сварку сталей часто выполняют в смеси Аг + 5 % О2. Кислород уменьшает поверхностное натяжение расплавленного металла, что способствует снижению критической плотности тока, при которой капельный перенос металла переходит в струйный. Одновременно повышается устойчивость горения дуги при относительно небольших токах, что облегчает сварку металла малой толщины.

Сварку в углекислом газе выполняют только плавящимся электродом на повышенных плотностях постоянного тока обратной полярности.

Для сварки в СО2 углеродистых и низколегированных сталей применяют сварочную проволоку с повышенным со-

169

держанием Mn и Si (Св-08ГС, Св-10Г2С и т. д.). На поверхности шва образуется тонкая шлаковая корка из оксидов раскислителей.

Сварка в атмосфере защитных газов в зависимости от степени механизации процессов подачи присадочной или сварочной проволоки и перемещения сварочной горелки может быть ручной, полуавтоматической и автоматической.

Области применения сварки в защитных газах охватывают широкий круг материалов и изделий (узлы летательных аппаратов, элементы атомных установок, корпуса и трубопроводы химических аппаратов и т. п.). Аргонодуговую сварку применяют для цветных (алюминия, магния, меди) и тугоплавких (титана, ниобия, ванадия, циркония) металлов и их сплавов, а также легированных и высоколегированных сталей.

В углекислом газе сваривают конструкции из углеродистой и низколегированной сталей (газо- и нефтепроводы, корпуса судов и т. д.).

4.4.8. Электрошлаковая сварка

Электрошлаковая сварка имеет принципиальное отличие от описанных выше способов сварки плавлением. При этой сварке тепловая энергия, расходуемая на нагрев и плавление металлов изделия и электрода, получается за счет теплоты, выделяемой в объеме расплавленного флюса (шлаковой ванны) при прохождении через него тока. Шлаковая ванна не только нагревает металл изделия и электрода, но и надежно защищает расплавленный металл от вредного действия воздуха. Схема процесса электрошлаковой сварки представлена на рис. 4.8. Шлаковая ванна 4 образуется расплавлением флюса, заполняющего пространство между кромками основного металла 1 и охлаждаемыми водой (трубки 8) ползунами 2, плотно прижатыми к поверхности свариваемых деталей. Процесс начинается с плавления флюса электрической дугой, возни-

170