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

духе. Имеют место также потери энергии, затрачиваемые на ионизацию дугового промежутка и обеспечение стаоильного го­ рения дуги в условиях парогазового непрерывно меняющегося пузыря. Все это приводит к тому, что напряжение дуги под во­ дой выше, чем напряжение дуги при сварке на воздухе.

Напряжение и температура дуги. Напряжение дуги зависит от способа сварки, т. е. от энергетических характеристик про­ цесса и условий его осуществления.

Распределение напряжения в дуге не одинаково и тоже за­ висит не только от способа сварки, но также от силы тока, его полярности и длины дуги /д (точнее — длины столба дуги). Бы­ ло установлено, что по мере увеличения длины дуги градиент потенциала ее столба растет.. Это явление может быть объясне­ но тем, что с увеличением длины дугового промежутка доступ водорода в дугу возрастает н оказывает большее деионизиру­ ющее и охлаждающее влияние на ее столб. Значительное вли­ яние на энергетические характеристики дуги оказывает соле­ ность воды (табл. 1).

Несколько слов о температуре дуги, горящей в воде. Само по себе ее измерение весьма сложно. Непосредственно измерить температуру дуги под водой не удалось, и этот вопрос решен аналитически, на основании закона Стефана-Больцмана, связы­ вающего температуру с энергетическими характеристиками ду­

10

ги. Б среднем температура столба дуги колеблется в пределах 9000—12000 К. в зависимости от силы тока п глубины погру­ жения.

Следует1 иметь н виду, что температура дуги по ее длине не одинакова. По даньш Г. И. Лескова, в приэлектродных облас­ тях, где сказывается охлаждающее влияние электродов, темпе­ ратура дуги иод водой составляет около 6400 К, поскольку темпе­ ратура кипения |испарения) электродов относительно невели­ ка; например, для железных электродов она составляет всего 3013 К. В центре столба, где в дуговом газе преобладает водо­ род, температура дуги возрастает и, по данным того же ис­ следователя, составляет примерно’ 10000 К. С глубиной погру­ жения пли с увеличением силы сварочного тока температура ду­ ги под водой возрастает.

Перенос металла в дуге. Специфические условия протекания процесса сварки под водой сказываются и на переносе металла с электрода в сварочную ванну, оказывая влияние как на ме­ таллургию процесса, так и на качество сварного шва.

Перенос металла в дуге зависит от способа сварки. Так, при сварке штучными электродами с наружным покрытием, образу­ ющим так называемый козырек, капля, хотя и перемещается по торцу электрода, однако после отрыва от него устремляется не­ посредственно в сварочную ванну. В случае же сварки тонкой электродной проволокой капля после отрыва с электрода увле­ кается «конвективными потоками в парогазовом пузыре и уно­ сится в сторону н вверх, достигая иногда даже токоподводящего наконечника. Описывая круговые движения, .она постепенно вы­ ходит из сферы действия этих потоков и, как правило, опускает­ ся в сварочную ванну, хотя и не исключены случаи, что капля вообще выходит яз полости пузыря и превращается в брызгу.

Обращает на себя внимание также и размер капель. При сварке штучными электродами капли относительно невелики, однако при сварке, например, тонкой проволокой они превыша­ ют диаметр электрода в 2—3 раза и достигают 3,2—3,8 мм в диаметре. По мере «плавания» капель внутри пузыря они умень­ шаются в объеме. Особенно это заметно при сварке голой про­ волокой. При сварке штучными электродами это явление почти не наблюдается, и время пребывания металла в стадии капли (между электродом и ванной) ничтожно мало — в среднем 0,0028 с, в то время как при сварке тонкой голой проволокой оно достигает 0,55 с (при сварке открытой дугой). При подаче в дугу углекислого газа капли движутся более целеустремлен­ но к ванне, п время нх перехода не превышает 0,014 с.

Количество капель, переносимых с электрода в ванну, зави­ сит, естественно, от способа сварки, а также от металлургиче­ ских особенностей присадочного материала, т. е. от марки элек­ трода. Так, например, при сварке тонкой голой проволокой от­ крытой (не защищенной) дугой число переходящих капель в 1

с составляет всего лишь 18, в то .время как при сварке электро­ дами ЭПС-42 диаметром 5 мм — 40—45.

Влияние внешних факторов на дугу. Рассмотрим влияние соленности воды и глубины погружения дуги в воду на процесс сварки под водой и на формирование сварных швов.

Влияние солености воды. Как показали исследования, повы­ шение соленности воды увеличивает устойчивость процесса сварки. Если поддержйвать постоянным напряжение холостого хода, то с .увеличением солености воды увеличивается расход мощности (вследствие роста силы сварочного тока), и наоборот, если сварочный ток поддерживать постоянным, то напряжение холостого хода с увеличением солености воды уменьшается, а в связи с этим уменьшается расходуемая мощность.

Напряжение дуги понижается в основном в результате уменьшения падения напряжения в приэлектродных областях (см. табл. 1). Соленая вода, будучи естественным электролитом,

поля дуги они ориентируются в соответствии со своими заряда­ ми и начинают двигаться — катионы к катоду, а анионы к ано­ ду. Так как некоторые ионы металлов в первую очередь калия, натрия и кальция, обладают более низким потенциалом иони­ зации, чем ноны железа (т. е. металла электродов, между ко­ торыми горит дуга), то они, ионизируя дуговой промежуток, облегчают зажигание, поддерживают горение дуги и способст­ вуют снижению общего напряжения дуги.

Влияние ионов хлора, затрудняющих горение дуги, на прак-, тике, видимо, невелико (проявляется взаимодействие ионов дру­ гих элементов в морской воде, так как общая концентрация со­ лей в мировом океане мала и не превышает 3,5—3,7 г/л).

От солености воды зависит формирование сварных швов,под водой, поскольку с ее увеличением растет размер капель, пере­ ходящих с электрода в ванну (при сварке штучными электрода­ ми он иногд'а достигает’ 6 мм) и уменьшается их число (в едини­ цу времени). Объем пузыря.вокруг дуги под водой увеличива­

ется почти в 3 раза.

Влияние гидростатического давления. Несколько иначе вли­ яет на процесс сварки и энергетические характеристики дуги гидростатическое давление (глубина погружения дуги в воду).

Как известно, напряженность электрического поля столба дуги с увеличением давления растет — по данным1Г. И. Леско­

ва она’пропорциональна |/"р ■ С глубиной погружения значительно возрастают потери мощ­

ности и увеличивается разбрызгивание, интенсивнее выгорают основные элементы — С, Si, Мп. По данным М. Л. Левина и Д. В. Киркея (США), химический состав сварных швов, выпол-

12

Все это указывает на необхо­ димость ограничивать силу тока при сварке на большой глубине.

При сварке под водой низколегированных сталей сила тока не должна превышать 180—240 А, причем с погружением дуги в воду она должна приближаться к нижнему пределу.

2. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ

Подготовка металла под сварку. Она приобретает особое значение из-за трудности выполнения сварочных работ под во­

вышенное притупление , составляющее в среднем 4—5 мм. За­ зоры между состыкованными кромками должны быть не бо­ лее 0,7—1,5 мм, а угол раскрытия при V-образной разделке — составлять 80—90°. При сварке листов толщиной до 8 мм скос кромок не делается. На листах толщиной 8—18 мм делают U-образную, а при толщине листов свыше 18-мм — Х-образную разделку.

Специально для сварки под водой французскими специалис­ тами предложен так называемый «раздвинутый» стык (рис. 7). Стыкуемые листы раздвигают примерно на величину их толщи­ ны, а полученный увеличенный зазор перекрывают снизу план­ кой, которая валиковыми швами приваривается к свариваемым листам.

При сварке соединений внахлестку' нужно следить за тем, чтобы зазор по всему периметру (например, при приварке за­ плат) был равномерным и не превышал 1,0—1,5 мм. .

13

При выполнении полупотолочной и потолочной сварки под водой, особенно когда возникает необходимость выполнения го­

(рис. 8, б). Если же такой возможности нет, то на верхнем из

рит», что дуга зажигается еще до того, как водолаз-сварщик кос­ нется им свариваемого изделия.

Техника наложения шва определяется видом соединения, пространственным положением и формой разделки кромок или сочетанием элементов (например, если свариваемые листы име­ ют разную толщину). При сварке вручную манипуляции элек­ тродом такие же, как и при сварке на воздухе. Некоторая осо-

'бенность состоит в том, что в подводных условиях из-за наличия на конце электрода козырька из покрытия (образующегося в про­

цессе расплавления электрода) водолаз-сварщик может вести электрод, опираясь им на изделие. Это значительно облегчает процесс сварки.

Большое значение имеет положение водолаза-сварщика при работе. Рационально дакое положение, при котором в каждый данный момент времени место сварки находилось бы выше цен­ тра переднего иллюминатора водолазного шлема. Поскольку под водой есть течения, мешающие водолазу, ему следует зани­ мать такое положение, чтобы создать наименьшее сопротив­ ление потоку воды или располагаться (по возможности) за укры­ тием. Если позволяют условия, водолаз должен занимать полу­ лежачее положение. Когда течение сильное, например на реках,, желательно перед местом работы по течению устанавливать:отбойный щит (рис. 9).

14

При сварке нахлесточных или тавровых соединений рекомен­ дуется первый проход (при металле толщиной 8 мм и выше) выполнять без поперечных движений электрода, т. е. ниточным швом. Для лучшего провара корня шва необходимо сварку вес­ ти электродом небольшого диаметра--не более 4 мм. Сварку в нижнем положении для обеспечения лучших условий наблюде-

Рис. 9. Установка разборного отбойного щита при работе на течении:

1 — отбойный щит; 2 — направляющая труба; 3 — шарнир; 4 — тали; 5— удерживающий'трос; 6 — основной трос; 7 — косынки; S — рымы; 9 — сто­ пор (фиксатор положения-щита); 10 — ролики; 11 — ручка

яия за процессом рекомендуется выполнять (если, позволяют условия) справа налево, а в положениях, отличных от нижне­ го,— углом вперед.

При |;варке тонкой или порошковой проволокой процесс ве­ дут аналогично, но без колебательных движений ее конца. Вы­ лет при сварке тонкой проволокой должен быть не более 12— 14 мм, поскольку его увеличение повышает разбрызгивание. Скорость подачи проволоки в среднем составляет 8—12 м/мин. Сварку на вертикальной плоскости ведут сверху вниз.

В остальном по приемам работы полуавтоматическая сварка под водой не'отличается от сварки на поверхности, если не счи­ тать более высоких требований по технике безопасности, свя­ занных с пребыванием человека под водой.

Сварочный пост в основном также не отличается от поста для работы на поверхности.

Ручную сварку ведут, как правило, током прямой полярнос­ ти, однако в некоторых случаях ее можно вести и током обрат­ ной полярности. Полуавтоматическую сварку ведут только то­ ком обратной полярности (табл. 3). Прочностные и пластиче­ ские характеристики сварных соединений, выполненных под во­ дой, приведены в табл 4.

Таблица 3

Рекомендуемые режимы сварки под водой (в нижнем положении на глубине до 10 м)

* Скорость подами проволоки 8—10 м/мин, напряжение дуги 88—40 В, подана газа только для подпора 1,1 ат.

Т а б л и ц а 4 Механические свойства сварных соединений, выполненных под водой

16

Величину сварочного тока выбирают по формуле

I —kd,

где d диаметр электрода в мм; к — коэффициент, равный .дли ручной сварки .40 50, дли полуавтоматической тонкой прово­ локой 170 190.

Практика показывает, что по производительности полуавто­ матическая сварка превышает ручную в 7 8 раз, а это особен­ но важно при работах на больших глубинах, когда подъем водо­ лаза необходимо вести с выдержками на промежуточных глу­ бинах, что требует больших затрат времени, определяемого по рекомпрессионным таблицам. Так, после пребывания водолаза на глубине 60 м в течение 45 мин его подъем ведется, например, в течение 4 ч.29 мин. С глубины до 12,8 м выход водолаза .про­ изводится беспрепятственно.

Для швов, выполненных под водой, характерны те нее дефек­ ты, что и для швов, выполненных на поверхности: несплавление кромок, пористость, подрезы и т. д. Вместе с тем имеются два дефекта, образующихся только при сварке под водой,—перерыв шва и так называемый увод шва, т. е. когда валик оказывается уложенным не в разделку, а на каком-то участке рядом с ней. Причиной этих дефектов является плохая видимость.

Сварка методом опирания. Стремление повысить производи­ тельность труда, стабилизировать процесс и уменьшить влия­ ние на качество соединения индивидуальных навыков и состо­ яния работающего привело к разработке и применению при сварке под водой так называемого метода опирания. Этот метод особенно целесообразен для применения в подводных условиях при ручной сварке, так как он упрощает приемы работ (облегча­ ет ведение электрода вдоль линии шва), не требует высокой квалификации исполнителя, и, что самое важное, может быть успешно применен в условиях плохой видимости. Сущность ме­ тода состоит в том, что электрод (желательно со специальным покрытием, например ЭПО-55) после возбуждения дуги опира­ ют свободным концом на изделие, наклонив его в направлении сварки под углом 60—70°, и ведут по разделке, слегка нажимая на него. При этом электрод по мере расплавления как бы ав­ томатически перемещается вдоль линии шва. Метод опирания характеризуется относительно меньшими удельными расходами электродного материала (в 1,5—2,0 раза), так как шов образу­ ется в основном в результате расплавления основного металла, поскольку глубина провара больше, чем при обычных методах. Соответственно выше и производительность сварки — пример­ но на 30—35%

Сварку методом опирания ведут током обратной полярнос­ ти, металл толщиной более 10 мм можно сваривать и током прямой полярности. Для электродов ЭПО-55 ток можно выбрать

по данным табл. 3, либо руководствоваться формулой (2), при­

нимая к = 60 — 70.

Подготовка кромок при сварке встык тоже специфична — угол раскрытия должен составлять 120°, притупление — 6—7 мм, а зазор должен быть в пределах 0,7—1,2 мм (ни в коем случае не превышать 1,5 мм).

Для сварки методом опнранпя можно также использовать и электроды ЭПС-52, которые в основном применяются в нашей промышленности. Обычно используют электроды диаметром 4 мм, а процесс ведут на токах, превышающих рекомендован­ ные (по сравнению с обычным способом сварки) на 10—15%. Сварку' методом опирания на вертикальных плоскостях ведут только сверху вниз (угол наклона электрода составляет около 40—50° к вертикали).

Наплавка под водой. Наплавка как вид сварочных работ применяется под водой относительно редко, главным образом при ремонте.

В подводных условиях техника наплавки в целом аналогична технике наплавки на поверхности. Однако вследствие охлажда­ ющего действия воды сварочная ванна кристаллизуется быстрее, поэтому колебательные движения концом электрода надо вы­ полнять также быстрее; ширина же наплавляемого валика не. должна превышать двух диаметров электрода'. Последующий наплавляемый валик должен перекрывать предыдущий на одну треть.

Наплавку на вертикальных поверхностях и тем более в пото­ лочном положении рекомендуется вести короткой дугой, т. е. при длине дуги, не превышающей диаметр электрода.

Наплавку на вертикальных поверхностях ведут как сверху вниз, так и снизу вверх, но в первом случае конец электрода дол­ жен быть направлен больше на сам валик, а во втором — боль­ ше на изделие.

Структура металла,сварных соединений. В подводных усло­ виях наплавленный металл из-за сильного охлаждающего дей­ ствия воды имеет ярко выраженную дендритную структуру. Зо-’ на термического влияния, примыкающая непосредственно к сварному шву, носит следы перегрева. По сравнению со сварны­ ми соединениями, выполненными на поверхности, зона термиче­ ского влияния очень узка и составляет около 1,5—2,0 мм. Явле­ ния подкалки наблюдаются здесь даже при сварке малоуглеро­ дистых и низколегированных стал.ей, этим и объясняются отно­ сительно низкие пластические свойства сварных Ьоедннений, вы­ полненных под водой.

Из схемы распределения температур и изменения структуры металла при сварке тонкой проволокой под водой (рис. 10) осо­ бенно четко видны высокая концентрация теплоты и резкое ох­ лаждение прилегающих участков. При сварке тонкой проволо­

18