книги из ГПНТБ / Мадатов, Н. М. Сварка и резка металлов под водой учебное пособие для слушателей заочных курсов повышения квалификации ИТР по технологии и оборудованию сварочного производства

6П4.3

М13

УДК 621.791.7 + 621.791.947

Мадатов Н. М. Сварка и резка металлов под

тронно-лучевая сварка, плазменно-дуговая резка, а также даны примеры пррмышленного применения сварки и резки под водой.

Брошюра рассчитана на инженерно-технических работников сварочного производства.

Табл. 15. Ил. 21. Список лит. 5 назв.

Председатель научно-методического совета заоч­ ных курсов повышения квалификации ИТР по техно­ логии и оборудованию сварочного производства доц. Г. А. Маслов.

Научный редактор ннж. В. Ф. Тюрин

Университет технического прогресса в маши­ ностроении при НТО Машпром. 1974 г.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время уже ведутся значительные работы по ос­ воению мирового океана и прибрежного шельфа, в частности, по добыче нефти и природного газа со дна морей, созданию под­ водных морских сооружений, например трубопроводов, разра­ ботке и конструированию разнообразной аппаратуры'и оборудо­ вания морской техники. Для выполнения этих работ применяют различные способы сварки и резки металлов. Во всех странах растут ассигнования на создание морской техники и разработку новых способов сварки под водой.

Параллельно с развитием чисто подводных методов сварки и резки за рубежом широко начинает применяться сварка в оби­ таемых подводных' камерах, где все работы по сварке, резке, сверлению и т. д. производятся в воздушной атмосфере под по­ вышенным давлением, величина которого невелика; при таком давлении человек способен находиться длительное время и ды­ шать без специальных приспособлений. Такой, способ нашел в зарубежной литературе название «сухой» сварки под водой. Этот процесс, однако, практически ничем не отличается (ни тех­ нологически, ни металл!ургически) от обычной технологии свар­ ки (резки) и в этой работе не рассматривается.

Нами под понятием «подводная сварка» понимается такой комплекс технологических приемов по получению неразъемного соединения материалов, который выполняют непосредственно в водной среде. Именно поэтому достаточно .распространенный термин «подводная сварка» в настоящей работе заменен терми­ ном «сварка под водой».

Изобретателем подводной сварки и резки является наш соо­ течественник Н. Н. Бенардос, который не только первым выска­ зал мысль о возможности сварки и резки под водой, но и сов­ местно спроф. Д. А. Лачиновым в 1887 г. фактически осущест­ вил под водой резку металла угольным электродом.

Первые опыты по сварке под водой металлическим электро­ дом были успешно осуществлены К. К. Хреновым и его сотруд­ никами в 1932 гл ........................

Наиболее бурно развивается техника подводной сварки и резки с конца 50-х годов. С целью повышения производитель­ ности и качества сварки под. водой в нашей стране пошли по

3

В.отличие от электросварки газовая сварка в подводных ус­ ловиях не нашла развития, так как охлаждающее влияние сре-

Рпс. 2. Классификация способов сварки металлов под водой

ды настолько велико, что газокислородное пламя не способно противостоять ему. Кроме того, окружающее гидростатическое давление воды, увеличивающееся с глубиной погружения, тре­ бует значительных давлений для подачи газов, что усложняет

Рис. 3. Классификация способов огневой резки металлов под водой

5

разработку необходимого инструмента п создает значительные

трудности при эксплуатации.

Кислородная (газовая) резка под водой реализуется более

.успешно, однако в силу тех же эксплуатационных неудобств и значительных расходов газов она большого распространения не получила. Кислородная резка под водой даже при использова­ нии в качестве горючего бензина ограничивается глубиной в

40—60 м.

Известные способы огневой (термической) резки под водой могут быть классифицированы следующим образом (рис. 3).

В данной работе рассмотрены только те способы сварки и резки металлов под водой, которые применяются на производ­ стве или которые являются перспективными и могут представить интерес для производства.

1. СВАРОЧНАЯ ДУГА ПОД ВОДОЙ

Основой элек'тродугового способа сварки металлов является сварочная дуга — длительный и устойчивый электрический раз­ ряд, сопровождающийся концентрированным выделением тепло­ ты и характерным свечением.

Поскольку условия горения дуги в воде отличаются от ус­ ловий ее горения на воздухе, т. е. в газовой среде, то и ее свой­ ства соответственно изменяются. Аналогично и процесс сварки резко отличается от того, который обычно наблюдается при сварке на воздухе.

Наиболее характерные особенности дуги, горящей в воде, рассмотрены ниже.

1. Дуга постоянно находится в непрерывно меняющемся паро­ газовом объеме так называемом «пузыре», который периодиче­ ски растет до определенных критических размеров, обусловлен­ ных физико-химическими свойствами воды, в частности ее плот­ ностью. Пузырь вокруг дуги, горящей под водой, наполнен вы­ деляющимися при горении дуги газообранзыми продуктами сго­ рания металла электрода, изделия и минерального покрытия (в случае сварки штучными электродами), а также продуктами диссоциации воды, разлагающейся под воздействием дуги на водород и кислород.

Парогазовый пузырь вокруг дуги под водой возникает еще до ее зажигания в результате тепловыделения от токов «утеч­ ки». Процесс этот особенно нагляден при выполнении свароч­ ных работ в соленой воде.

Газы и пары металлов, минеральных солей (при сварке по­ крытыми электродами) и воды находятся в состоянии непрерыв­ ного взаимодействия, причем эти реакции имеют обратимый ха­ рактер. С повышением температуры по мере приближения к центру пузыря происходит ионизация атомов. Процессы иони­ зации и рекомбинации в пузыре также имеют обратимый харак­ тер. Из этого следует, что дуга сама создает условия для своего

6

существования, чем и обеспечивается стабильное горение дуги под водой.

2.Внутренний объем парогазового пузыря возникает одно­ временно с созданием в нем противодавления гидростатическо­ му давлению, причем это противодавление прямо пропорцио­ нально глубине погружения дуги в воду.

3.Наличие в газовой фазе парогазового пузыря таких ком­ понентов, как атомарный

водород, вызывает ох­ лаждение наружных участков столба дуги и ее сжатие, чему также спо­ собствуют сильная под­ вижность пузыря и пе­ риодическая потеря нм устойчивости, сопровож­ дающаяся выбросом газа, когда пузырь вокруг ду­ ги под водой достигает своих критических разме­ ров.

Парогазовый пузырь вокруг дуги. Как показазали исследования, вы­ полненные при помощи скоростной рентгенокино-

съемки, полная смена содержимого парогазового пузыря при сварке штучными электродами происходит 9—10 раз в секунду, а при сварке тонкой проволокой — даже 11 — 12 раз в секун­

ду.

При разрушении пузыря основная масса газов (до 90% объе­ ма) всплывает, а остатки пузыря, несколько уменьшаясь в объе­ ме, служат основой для развития нового пузыря до еге критиче­ ских размеров. Аналогичный.процесс наблюдал и американский исследователь 'Е. А. Сильва, который сообщил, что всплывающий пузырь по объему составляет не менее того, который остается в виде зародыша для последующего цикла. .

. Нашими исследователями было установлено, что критиче­ ские размеры пузыря не зависят от способа сварки; они зависят только от внешних условий и физико-химических особенностей той конкретной среды, в которой происходит горение дуги.

Парогазовые потоки, возникающие в пузыре, совершают кон­ вективное движение, что можно было наблюдать по поведению ■капель расплавленного металла при переходе их с электрода в сварочную ванну. В целом можно с достаточной достоверностью утверждать, что внутри парогазового пузыря, вокруг дуги под водой имеет место конвективное движение его содержимого, на­ правленное от периферии к центру (рис. 4),

7

• Состав парогазовой среды пузыря значительно влияет на ме­ таллургические процессы в ванне и на энергетические характе­ ристики дуги. По данным А. И. Шлямина, он представляет со­

2, образующихся при прорыве и разрушении парогазового пузы­ ря, и металлических брызг и самого парогазового пузыря 10.

Долгое время состав облака аэрозоля был неизвестен, и пред­ полагалось, что это плавающие дисперсные частицы окислов металла. По данным Е. А. Сильвы (США), исследовавшего твер­ дый остатрк этого облака, оно представляет собой взвесь мелко­ дисперсных частиц, в значительной своей части состоящей из гид­ роокиси железа (РегОзХНгО). Интересно отметить, что, по наблю­ дениям Е. А. Сильвы, состав мути не зависит от марки электрода и является результатом нового соединения, образующегося во время сварки под водой. Отмечается также его кристаллическая природа, что подтвердил дифракционный рентгеновский анализ.

Геометрические размеры дуги. Диаметр столба дуги может быть с достаточной для практики точностью вычислен по фор­ муле, предложенной Т. И. Авиловым;

8

где dCt —эффективный диаметр столба дуги в см; А — коэффи­

Рис. 6, Вольт-амперные характеристики дуги при сварке под водой:

силе тока 100—500 А). Примерно такой же диаметр столба дуги имеет место и при сварке тонкой электродной проволокой.

К^к и у всех дуг с металлическим электродом, при сварке под водой катодное пятно дуги перемещается по торцу электро­ да и полностью оплавляет его. При использовании тонкой про­ волоки (диаметром 1,2—1,6 мм) или при работе на высоких ре­ жимах тока при сварке штучными электродами, катодное пятно может занимать весь торец электрода, а с увеличением нагруз­ ки оно может испытывать так называемое «стеснение», т. е. сжатие вследствие невозможности его дальнейшего расширения из-за ограниченности сечения электрода. Благодаря этому, а также вследствие воздействия охлаждающей среды (водорода и гидростатического давления столба жидкости) статическая вольт-амперная характеристика дуги под водой имеет характер­ ную для сжатых дуг форму, очень похожую на вольт-амперную характеристику дуги, горящей под флюсом,— правая ветвь при­ поднята, причем точка перегиба (т. е. перехода от падающей к возрастающей ветви) приходится примерно на силу тока 180— 250 А (рис. 6). '

Охлаждающее действие воды, повышенное давление, диссо­ циация воды.и другие факторы вызывают в конечном счете не­ обходимость затрачивать для поддержания горения дуги под во­ дой большую мощность, чем это необходимо при сварке на воз-