Теория сварочных напряжений и деформаций

ВВЕДЕНИЕ

Теория сварочных напряжений и деформаций является одним из наиболее сложных разделов науки о сварке, объединяющим вопросы теплопроводности, упругости, пластичности и ползучести металлов в широком диапазоне быстро изменяющихся температур. В ряде случаев еще не представляется возможным во всей полноте отразить термомеханические процессы, происходящие в металле во время сварки и остывания конструкции. Точные количественные зависимости не могут быть получены главным образом вследствие недостаточного развития теории пластичности тел с переменным модулем упругости и переменным пределом текучести металла в случае перемещающихся полей напряжений.

Теория сварочных напряжений и деформаций развивается как приближенная прикладная наука, призванная ответить на некоторые практические вопросы технологии изготовления и эксплуатации сварных конструкций. Расширение и сокращение металла в процессе нагрева и остывания при сварке сопровождается образованием деформаций. При этом вследствие неравномерного нагрева деформации, как правило, не протекают беспрепятственно. В теле образуются напряжения, которые часто достигают значений предела текучести. Процесс нагружения металла в этом случае сопровождается пластической деформацией. Деформации металла в отдельных точках приводят к образованию перемещений в сварных конструкциях, в результате чего нарушаются их формы и размеры.

Исторически сложилось так, что в большинстве случаев под названием «сварочные деформации» фактически понимают перемещения отдельных точек сварной конструкции, а не деформации металла, как это рассматривается в теории упругости и пластичности. Несмотря на то, что деформации, напряжения и перемещения между собой связаны, изучение их зачастую производилось обособленно. Это обстоятельство отразилось и на расположении материала в данной книге: вначале рассмотрены деформации и напряжения в металле, а затем перемещения в сварных соединениях и конструкциях.

Деформации и напряжения в металле сварных конструкций влияют главным образом на их прочность, в то время как перемещения -- на технологический процесс изготовления и на искажение геометрических форм сварной конструкции. Влияние деформаций, напряжений и перемещений в сварных соединениях и конструкциях на их прочность, жесткость и коррозионную стойкость в научной литературе освещено еще слабо. Подобные исследования начали развиваться лишь в последние 10--15 лет. Уже в основном разработаны методы определения сварочных деформаций, напряжений и перемещений, а также технологические приемы их регулирования и устранения. Этим вопросам и посвящена настоящая монография.

История сварки

Сварка как способ неразъемного соединения твердых металлических частей известна человечеству с самых древних времен. Как только люди научились выплавлять и обрабатывать железо ковкой в горячем состоянии (приблизительно IV тысячелетие до н. э. ), им сразу же пришлось иметь дело и с процессом сварки, который стали широко использовать сначала для объединения отдельных крупиц или кусочков металла в общую болванку-заготовку, а затем и для соединения различных металлических поделок друг с другом. Процесс изготовления железной болванки уже включал сварку давлением или «кузнечную - горновую» сварку, которая дошла почти в неизменном виде до наших дней. При горновой сварке поверхности соединяемых частей нагревают до «сварочного жара», а затем обжимают эти части ударами молота на наковальне. На протяжении многих столетий этот способ сварки был единственным. Только в XIX веке возник новый способ - сварка «литьем», которая по существу являлась одной из разновидностей технологического процесса литья. Следующим по времени возникновения был способ электрической дуговой сварки, изобретенный в России и получивший широкое распространение в наши дни. В 1802 г. профессором физики Петербургской медико-хирургической академии Василием Владимировичем Петровым было открыто явление электрической дуги и показана возможность использования ее для расплавления металлов, а следовательно, и для сварки. Это открытие, имевшее огромное научное и промышленное значение, не было должным образом оценено и использовано его современниками вследствие еще недостаточно высокого общего уровня развития техники того времени. Использование электрической дуги для сварки металлов было осуществлено русским изобретателем Николаем Николаевичем Бенардосом в 1882 г. Сущность его метода сводилась к тому, что между свариваемым изделием и угольным стержнем (электродом) пропускался ток, и возникала электрическая дуга. Дуга расплавляла поверхность изделия, а «присадочный» металл, вводимый в дугу в виде прутка, также расплавляясь в ней, заполнял место сварки. Схема способа ручной дуговой сварки, предложенного Н. Н. Бенардосом и названного им «электрогефест» (Гефест - мифологический бог, кузнец, покровитель техники и ремесел). Питание дуги в первых установках осуществлялось от батареи специальных аккумуляторов, также разработанных и предложенных Н. Н. Бенардосом. Впоследствии питание сварочной дуги стало производиться от специальных сварочных машин постоянного тока. В 1890 г. другой русский изобретатель инженер Николай Гаврилович Славянов предложил способ дуговой электрической сварки, при котором в качестве второго полюса дуги вместо угольного стержня использовался сам присадочный материал, т. е. металлический пруток. Электрод и изделие были последовательно включены в цепь специального сварочного электрогенератора постоянного тока. Способ дуговой сварки Н. Г. Славянова получил более широкое распространение, чем способ Н. Н. Бенардоса. Сварочные работы по способу Н. Г. Славянова осуществлялись горячим методом, т. е. с предварительным подогревом изделия. Поверхность сварочной ванны поддерживалась при этом расплавленной. Во избежание растекания металла свариваемое изделие заформовывалось в землю, в связи с чем Н. Г. Славянов и называл свой способ «электрической отливкой металлов», а электросварщика - «литейщиком». Чтобы поддерживать при сварке длину дуги постоянной, Н. Г. Славянов разработал и осуществил остроумное полуавтоматическое устройство для подачи металлического электрода в дугу, названное «плавильником». Плавильник подвешивался на цепи над свариваемым изделием. Н. Г. Славянов придал своему изобретению вполне законченную форму и в 1890-1891 гг. запатентовал его в ряде стран. Свое полное развитие электросварка получила в годы Советской власти. Сейчас все вагоны, котлы, металлические строительные конструкции, гидротехнические сооружения, газо- и нефтепроводы и многие другие ответственные конструкции выполняются только сварными. Морские и речные суда также проектируют и строят цельносварными. В 1929 г. , после принятия первого пятилетнего плана построения социализма в нашей стране, было издано специальное постановление Совета Труда и Обороны о развитии автогенного, т. е. сварочного дела в СССР. В 1934 г. вышло второе правительственное постановление, устанавливавшее новые контрольные цифры развития сварочного дела и предусматривавшее ряд мероприятий для его обеспечения. Последнее десятилетие характеризуется дальнейшим техническим прогрессом сварки. Отечественная промышленность переходит на автоматическую и полуавтоматическую сварку. Получают распространение новые высокопроизводительные сварочные процессы: автоматическая дуговая сварка с принудительным формированием в вертикальном положении, электрошлаковая сварка, автоматическая сварка в атмосфере защитных газов и др. Следует отметить, что родиной автоматической сварки (так же, как и ручной) является Россия. Проект первого сварочного автомата разработал Н. Н. Бенардос, а «плавильник» Н. Г. Славянова, по существу, представлял собой полуавтомат. Однако простая автоматизация подачи проволоки в дугу давала лишь незначительное увеличение производительности по сравнению с ручной сваркой. Коренное усовершенствование процесса могло быть достигнуто только при переходе на автоматическую сварку закрытой дугой, горящей под флюсом. Идея сварки под флюсом также была выдвинута Н. Г. Славяновым, который для повышения качества сварного шва на ответственных изделиях рекомендовал засыпать в дугу толченое оконное стекло с добавкой ферросплавов. В 1929 г. советский изобретатель Д. А. Дульчевский получил авторское свидетельство на способ сварки меди под слоем флюса. Промышленные автоматы для сварки открытой дугой стали выпускаться заводом «Электрик» в Ленинграде еще с начала 30-х годов, а впоследствии завод работал над созданием автоматов для сварки под флюсом. Широкое развитие в СССР способа сварки под флюсом в современном его виде является заслугой коллектива научных сотрудников Института электросварки АН УССР, которым руководил Герой Социалистического Труда академик Евгений Оскарович Патон (1869-1953). Этот метод имеет огромные преимущества перед ручной электросваркой как в отношении производительности процесса, так и с точки зрения получения более стабильного высокого качества металла шва. После разработки и усовершенствования сварки под флюсом СНК СССР и ЦК ВКП(б) 20 декабря 1940 г. издали постановление о широком внедрении в производство этого способа. В 1947 г. было опубликовано еще одно постановление правительства о дальнейшем расширении применения в промышленности автоматической электросварки под слоем флюса. В настоящее время партия и правительство продолжают уделять особое внимание дальнейшему прогрессу сварочного дела. В 1958 г. правительством был намечен ряд новых мероприятий как по укреплению материально-технической базы сварочной техники, так и по расширению ее применения. В решениях Июльского (1960 г. ) Пленума ЦК КПСС отмечается значительный рост объема производства сварных конструкций (в 1959 г. 1,3 раза больше, чем в 1958 г. ) на основе широкого применения новых высокопроизводительных механизированных способов сварки; поставлены новые задачи по освоению передовой сварочной техники и массовому внедрению прогрессивных сварных конструкций в промышленности, строительстве и на транспорте. Успехи в развитии сварочного дела можно наблюдать на примере морского и речного судостроения. Начало применению электросварки в судостроении и судоремонте было положено еще изобретателем ее - Н. Г. Славяновым. В его книге «Электрическая отливка металлов» приведен перечень выполненных им электросварочных работ (всего Н. Г. Славянов выполнил 1631 работу по сварке, израсходовав в общей сложности 685 пудов присадочных материалов (электродов)), в котором, в частности, названы многие судоремонтные работы и работы по изготовлению деталей судовых механизмов и устройств. После этих первых работ Славянова электросварка успешно применялась на ряде русских заводов при ремонте ответственных конструкций. Огромная роль в развитии сварки в СССР принадлежит Виктору Петровичу Вологдину (1883-1950), который первым после революции в начале 20-х годов возобновил сварку по методу Славянова на Дальневосточном заводе им. Ворошилова в г. Владивостоке. Сначала под его руководством на заводе производились сварочные работы ремонтного характера, но в 1923 г. был создан самостоятельный сварочный цех; уже в 1928 г. в этом цехе были изготовлены первые сварные паровые котлы и сварен ряд ответственных строительных конструкций, а в 1931 г. было построено первое электросварное судно - морской буксир. Опыт В. П. Вологдина быстро распространился по заводам центральной части СССР. С 1933 г. В. П. Вологдин возглавил отдел сварки Управления судостроительной промышленности СССР. Благодаря его инициативе и настойчивости электросварка, применение которой на судостроительных заводах СССР началось с 1930-1931 гг. , стала все шире внедряться в судостроение. В 1935 г. в Ленинграде был построен первый в СССР полусварной крупный морской пароход «Седов». Одновременно с этим на ряде заводов была начата постройка сварных доков, теплоходов для Каспийского моря, грузовых шаланд и других цельносварных судов. По Наркомату речного флота с 1939 г. постройка клепаных судов была запрещена специальным приказом. Все корпуса судов должны были строиться только сварными. К началу Великой Отечественной войны сварка почти повсеместно вытеснила клепку, а в годы войны строились уже только сварные корабли и суда, многие из которых успешно участвовали в боевых операциях.

Виды сварки

Сварка - это технологический процесс соединения твердых материалов методом плавления или пластическим деформированием, результатом которого являются конструкции с неразъемным соединением деталей. Вид сварки выбирается в зависимости от свойств свариваемых материалов, параметров соединяемых деталей и конструкций, условий для проведения работ. По прочности сварные соединения не уступают применяемому металлу и способны выдерживать высокие статические и динамические нагрузки в условиях разной температуры и оказываемого давления. Сварка применяется разных видов, а различные физические, технические и технологические параметры определяют её вид. Сварка сейчас производится более 60 видов, которые сгруппированы по разным классам. Выделяют три основных класса сварки: механическая, термическая и термомеханическая сварка. Термический класс объединяет виды сварки, производящиеся с применением тепловой энергии: 1. Наиболее часто повсеместно применяемый вид - сварка электродуговая, где плавление осуществляется за счет теплоты от электрической дуги. Электродуговой вид - сварка разными способами: * ручная дуговая сварка - универсальный вид, сварка проводится в труднодоступных местах, из стали различных марок, для коротких швов, для криволинейных швов, для монтажных работ; * электрошлаковая сварка - в качестве источника тепла используется расплавленный шлак. В результате электрошлаковой сварки сплавляются кромки соединяемых деталей и присадочная проволока. Используемый для крупных конструкций вид - сварка для машиностроения, для толстостенных сооружений, для ковано-сварных конструкций непосредственно на монтажной площадке. 2. Плазменная сварка использует сжатую плазменную струю, которая оказывает тепловое и газодинамическое воздействие на свариваемые детали. Плазменная сварка - это многофункциональный вид: сварка, резка, наплавка, напыление. Как подвид, существует микроплазменная сварка. При малой площади нагрева обеспечивается высококачественное соединение миниатюрных и высокоточных элементов. 3. Газопламенная сварка - источником тепла является газовый факел, для усиления шва применяют присадочный металл. Универсальный вид: сварка, резка, пайка, наплавка, нагрев участков для местной термообработки, правки и очистки, восстановление от износа, защита от коррозии. Термомеханический класс видов сварки использует тепловую энергию и давление: 1. Контактная сварка - соединение металла посредством нагрева электрическим током с одновременной пластической деформацией сжимающим усилием. Часто используемый вид - сварка высокой производительности, высокого качества и надежности, экологически чистый процесс. 2. Диффузионная сварка - соединение деталей сдавливанием, нагревом в вакууме в твердом состоянии без применения расплавления. В результате локальной пластической деформации и диффузии материалов образуется монолитное сварное соединение. Уникальный вид - сварка практически всех известных конструкционных материалов (алюминий со сталью и титаном, металлы с неметаллами). Механический класс объединяет виды сварки с использованием давления и механической энергии: 1. Сварка взрывом - уникальный вид, сварка позволяет получить прочный участок сплошного соединения поверхностей нескольких металлов или сплавов на большой площади, при толщине от 0,1 до 30 мм. Можно соединять плоские и цилиндрические детали за короткое время. 2. Ультразвуковая сварка - специализированный вид, сварка в основном для полимерных листовых изделий с помощью ультразвуковых колебаний.

Технология сварки

При разработке технологии процесса сварки изделия необходимо установить пригодность основного материала для сварной конструкции и выбрать: 1) способ сварки; 2) оборудование для сварки; 3) сварочные материалы; 4) конструктивный тип соединения и элементы подготовки кромок; 5) режимы сварки; 6) методы и нормы контроля сварных швов; 7) мероприятия по предупреждению сварочных деформаций. Сварное соединение - это часть изделия в месте, где сварены между собой его отдельные элементы; размеры сварного соединения обычно соизмеримы с наименьшими размерами (толщиной) соединяемых элементов. Сварной шов - это часть сварного соединения, находившаяся в процессе сварки в расплавленном состоянии. В зависимости от взаимного расположения свариваемых частей различают несколько типов сварных соединений. Наиболее распространенные из них: стыковое; тавровое; частным случаем таврового соединения является крестовое; внахлестку и угловое. В зависимости от типа соединения может изменяться вид сварного шва. Стыковые соединения образуются при помощи стыковых швов; швы остальных соединений согласно ГОСТ 5264-60 называются по типу соединения, т. е. швы тавровых соединений, швы нахлесточных соединений, швы угловых соединений. Нетрудно заметить, что в последних трех случаях геометрическая форма поперечного сечения сварных швов одинакова, и эти швы в практике обычно называют угловыми швами. Угловой шов обычно имеет плоскую или вогнутую и реже выпуклую поверхность. Размер углового шва задается так называемым катетом. Следует различать катет видимый и катет расчетный. Особой разновидностью швов являются пробочные, встречающиеся в нахлесточных соединениях и очень редко в тавровых соединениях (накрывающие листы, доступ к которым возможен только с одной стороны). Конструктивная особенность корпуса судна заключается в том, что он представляет как бы трубчатую балку, состоящую из сравнительно тонкой обшивки, подкрепленной большим количеством различных ребер. Соединение тавровое - соединение элементов набора с обшивкой - является наиболее распространенным типом сварных соединений в корпусе судна, а угловой шов - самым распространенным видом сварного шва. Стыковые швы практически всегда бывают непрерывными и различаются только формой поперечного сечения подготовки кромок под сварку. Форма угловых швов тавровых соединений может изменяться как по длине, так и по поперечному сечению. Стыковые и угловые швы бывают односторонними и двусторонними. Пробочные швы различаются, главным образом, по форме подготовки кромок и размерам. Форма подготовки кромок сварных швов при ручной сварке регламентирована ГОСТ 5264-60 «Швы сварные ручной электродуговой сварки. Классификация и конструктивные элементы». По этому ГОСТ форма подготовки кромок характеризуется следующими элементами: углом скоса кромок, углом раскрытия шва (часто называемым углом разделки), притуплением и зазором. Все эти элементы имеют важное значение для правильного формирования шва при ручной сварке. Угол скоса кромки обусловливает определенный угол раскрытия шва, что обеспечивает доступ электрода для провара вершины, а следовательно, и ее проплавление. Соединения внахлестку применяют очень редко, так как они приводят к излишнему расходу металла (на перекрой) и к образованию конструктивной концентрации напряжений. Соединения внахлестку могут быть применены в отдельных случаях для соединения концов профилей с листами. Соединения тавровые без сквозного проплавления могут выполняться в конструкциях, испытывающих статическую или случайную кратковременную переменную нагрузку. Пробочные швы предусмотрены двух типов: 1) с круглым отверстием диаметром, равным двум толщинам привариваемого листа; 2) с отверстием в виде удлиненной прорези. Форма подготовки кромок сварных швов при сварке под флюсом регламентирована ГОСТ. При автоматической и полуавтоматической сварке под флюсом глубина проплавления основного металла заметно больше, чем при ручной сварке. При однопроходной автоматической и полуавтоматической сварке глубина проплавления значительно меньше зависит от зазора и наличия скоса кромок, чем при ручной сварке. В этом случае разделка кромок нужна для того, чтобы убрать избыток наплавленного электродного металла и тем самым обеспечить правильное формирование шва с поверхности. При толщине листов свыше 20 мм скос кромок необходим для обеспечения провара всего сечения, однако притупление может быть значительно большим (до 8 мм). Обычно угол раскрытия шва колеблется в пределах 30-60°; зазор должен быть равен нулю, но при сварке на различных подкладках (стальной остающейся, медной) может достигать 4-5 мм (а притупление 7-8 мм). Наряду с обычными угловыми швами при толщине привариваемых листов до 5 мм могут быть применены так называемые точечные швы. Точечный шов состоит из отдельных угловых швов небольшого размера, имеющих в плане и в сечении форму эллипса, реже - круга. Сварка таких швов осуществляется полуавтоматом (под флюсом) с подачей проволоки, но при прерывистом перемещении держателя. Форма подготовки кромок при электрошлаковой сварке и сварке в защитных газах не регламентируется ГОСТ (ввиду отсутствия ГОСТ на эти способы сварки). Для электрошлаковой сварки скос кромок не требуется; основной установочный параметр подготовки кромок под сварку - это зазор, который зависит от толщины свариваемого металла и метода электрошлаковой сварки (одноэлектродная или многоэлектродная, проволочным или пластинчатым электродом). Зазор обычно колеблется в пределах 12-30 мм; при сварке судостроительных сталей толщиной 12-30 мм зазор равен 14 + - 4 мм. При сварке в среде СО2 форма подготовки кромок аналогична подготовке кромок при сварке под флюсом. Выбирая тип подготовки кромок для стыковых швов, необходимо учитывать, что с точки зрения расхода электродного металла наиболее экономична Х-образная подготовка. Такая подготовка обеспечивает также и минимальные деформации свариваемых элементов из плоскости, т. е. возможный поворот элементов относительно друг друга. Однако Х-образная подготовка кромок при автоматической сварке требует кантования изделия. Преимущество V-образной подготовки кромок состоит в том, что основной объем сварки выполняется в нижнем положении. В ряде случаев ее заменяют V-образной подготовкой с криволинейным скосом кромок, а при автоматической сварке под флюсом - Х-образной несимметричной подготовкой кромок. При V-образной подготовке с криволинейным скосом благодаря уменьшению угла скоса кромок до 10° (вместо 30°) расход электродного металла уменьшается и шов по толщине листа имеет почти одинаковую ширину. Это уменьшает деформацию листов из плоскости от поперечного укорочения шва. Основной объем металла наплавляется в нижнем положении. Недостатком такой подготовки является ее относительная сложность (механическая обработка). Соединяя встык два листа, значительно различающиеся по толщине, для обеспечения плавного перехода и улучшения условий сварки необходимо у более толстого листа делать скос на длине, равной пятикратной разности толщин. Большинство угловых швов судового корпуса выполняют без скоса кромок, так как они мало нагружены. В фундаментах и некоторых других конструкциях, испытывающих регулярные знакопеременные или ударные нагрузки, применяют угловые швы со скосом кромок, чтобы обеспечить сквозное проплавление стенок привариваемого элемента. Выбирая тип угловых швов при автоматической сварке под флюсом, необходимо предусматривать, главным образом, непрерывные швы, так как сварка прерывистых швов автоматами обычного типа затруднена, а полуавтоматами невыгодна. Если катеты двусторонних швов по условиям прочности менее 3-3,5 мм, следует применять односторонний угловой шов, соответственно увеличив его катет. В неответственных конструкциях толщиной до 5 мм используют точечные угловые швы, выполняемые полуавтоматической сваркой.

Газосварочное пламя и технология газовой сварки

Источником нагрева при газовой сварке является пламя. В пламени происходит сложный процесс горения газов, состоящий из ряда фаз, в течение которых происходят различные химические преобразования. Процесс горения газов подробно исследовался Н. Н. Семеновым и его сотрудниками. Исследования показали, что поступающая из наконечника горелки смесь ацетилена и кислорода проходит сначала период тепловой и химической подготовки к воспламенению. Этот период именуется периодом индукции и характеризуется незначительными реакциями окисления, протекающими с малой скоростью. Одновременно происходит подогрев смеси благодаря передаче тепла от окружающих, уже воспламенившихся объемов газа. Под влиянием нагрева и благодаря ограниченной теплоустойчивости происходит пирогенное разложение ацетилена на углерод и водород. Одновременно с пирогенным разложением в результате начинающихся окислительных процессов частично образуется (сначала в незначительных количествах) окись углерода СО. Подготовка смеси к воспламенению происходит в начальной небольшой зоне пламени, которая носит название ядра. Когда период индукции завершен, скорость протекания окислительных реакций в нагретых газах резко возрастает: начинается период воспламенения газа. С этого момента происходит резкое возрастание температуры. Начинается бурное окисление продуктов предшествующего разложения ацетилена, сопровождающееся рядом цепных реакций. При избытке кислорода окисление могло бы протекать и до образования СО2. Однако вследствие того, что в газосварочное пламя обычно подается ограниченное количество кислорода, реакция протекает с образованием неполных окислов. Кислород, поступающий в составе смеси из горелки, называют первичным, а участвующий в третьей стадии реакции и забираемый из окружающей среды - вторичным. Все стадии процесса горения сопровождаются интенсивным тепловыделением. Низшая теплотворная способность ацетилена около 12600 кал/л, из которых при нормальном регулировании пламени около 44% выделяется в средней зоне и около 56% - в факеле. По наблюдениям Н. Н. Клебанова, наибольшая температура пламени достигает 3100-3200° С. Газосварочное пламя оказывает сильное тепловое и химическое воздействие на свариваемые металлы. Химическое воздействие может состоять в окислении или раскислении металла, в науглероживании и, наконец, в насыщении водородом. Характер протекания той или иной реакции будет зависеть от состава пламени, от расстояния между наконечником горелки и поверхностью детали, а также от химических свойств самого металла свариваемой детали. Окисление свариваемого металла может происходить при неправильном соотношении количеств горючего газа и кислорода в составе пламени. Так, при соотношении в газовой смеси О2/С2Н2 более чем в 1,2 в средней зоне пламени появятся свободный О2 и СО2, и она потеряет свои восстановительные свойства. Пламя такого состава носит название окислительного. При недостатке кислорода в составе пламени в средней зоне будет образовываться свободный углерод, который может химически взаимодействовать со свариваемым металлом. При сварке стали это приводит иногда даже к появлению трещин вследствие образования в зоне шва науглероженного участка со структурой мартенсита. Нормально отрегулированное пламя, средняя зона которого обладает некоторыми восстановительными свойствами, обеспечивает очистку металла от окислов по реакции FeO + H2 = Н2О + Fe. Следовательно, такой состав пламени способствует улучшению механических характеристик шва. При газовой сварке наличие факела горячих газов, окружающих среднюю зону пламени и омывающих металл вокруг сварочной ванны, создает в свариваемом металле широко распространенное тепловое поле. Эта особенность теплового режима газовой сварки отражается и на процессах, протекающих в свариваемом металле. Широкая зона прогрева и длительное пребывание свариваемого металла в интервале температур 1100-1500° С могут вызвать при сварке стали появление крупнозернистой структуры перегрева. Замедленная скорость охлаждения, с другой стороны, при известных условиях может предотвратить появление закалочных структур. Широкая зона прогрева, как правило, приводит к повышенным деформациям. Более низкая максимальная температура газосварочного пламени (по сравнению с температурой сварочной дуги) уменьшает опасность испарения и улетучивания легко испаряющихся веществ из свариваемого и присадочного металлов. Газовая сварка может осуществляться как вручную, так и автоматически. Ручная газовая сварка выполняется левым или правым способом. При левом способе, более распространенном, ось мундштука горелки наклонена так, что пламя направлено под острым углом к поверхности изделия в противоположную сторону от заваренного ранее шва. При правом способе ось мундштука имеет наклон в другую сторону; пламя направлено назад, на уже заваренный шов, и почти нормально к поверхности сварочной ванны. Способ правой сварки рекомендуется для толщин свыше 5 мм, при которых легче избежать прожога; он на 20-25% производительнее левого способа, обеспечивает более высокое качество шва и требует меньшего расхода газов. Эти преимущества достигаются за счет концентрации пламени в пространстве, ограниченном свариваемыми кромками и наплавленным валиком. При газовой сварке мощность пламени, т. е. количество горючего (в л/час), выбирается в зависимости от толщины свариваемых деталей и марки их материала. Каждый номер наконечника горелки соответствует определенной мощности. Расход ацетилена на 1 мм толщины металла для малоуглеродистой стали принимается 100-150 л/час, для меди 150-200 л/час и для алюминия 75-100 л/час. Пламя регулируют в соответствии со свойствами и составом свариваемых металлов. Так, если для стали нормальное соотношение О2/С2Н2 = 1,15, то для меди и алюминия, учитывая их повышенную окисляемость, это соотношение принимают равным 1,05. Форма подготовки кромок листов под газовую сварку. Листы толщиной 1,5 мм и менее подвергают отбортовке; листы толщиной от 2 до 5 мм сваривают встык без скоса кромок, а при толщинах более 5 мм делают скос кромок (фаску). Во избежание прожогов вершины шва в нижней части фаски оставляют притупление. Угол раскрытия в стыковом V-образном соединении принимают близким к 90°. Присадочным материалом при газовой сварке служат прутки или куски проволоки соответствующего состава, который выбирают исходя из требуемого химического состава наплавки. При этом учитывают выгорание некоторых легкоокисляющихся элементов, которое может происходить в процессе сварки. Даже при тщательной регулировке пламени при газовой сварке может образоваться ряд окислов, загрязняющих шов, а иногда и препятствующих сплавлению основного и присадочного металла. С целью очищения расплавленного металла от окислов и защиты его поверхности при сварке высоколегированных сталей, чугуна и цветных металлов и сплавов в сварочную ванну вводят сварочные порошки, или флюсы. Флюсы взаимодействуют с окислами, химически связывая их или растворяя в шлаке, образующемся при плавлении флюса. Применение флюсов обязательно при сварке таких легко окисляющихся металлов, как, например, алюминий, медь. При сварке малоуглеродистой стали окислы восстанавливаются газами пламени. Области применения ручной газовой сварки определяются сущностью и особенностями этого процесса. Благодаря относительно меньшей температуре пламени и возможности регулирования интенсивности нагрева свариваемого металла газовую сварку часто используют для изготовления стальных деталей малых сечений (крючки, подвески, соединения проволок и др. ), а также изделий из тонких листов - от 1,5 мм и ниже (трубы вентиляции, вентиляционные головки, тонкостенные сосуды и др. ). Газовую сварку с успехом используют и для соединения цветных металлов, для которых также существенны меньшая температура пламени при достаточной тепловой мощности и наличие зоны защитных газов (продуктов горения), предохраняющих нагретые поверхности от окисления. Учитывая высокую теплопроводность цветных металлов, при сварке их необходимо иметь более распределенный источник тепла, обогревающий более широкую зону вокруг сварочной ванны. Сварочное пламя лучше удовлетворяет этому условию, чем электрическая дуга одинаковой тепловой мощности. Однако необходимо отметить, что общая стоимость газовой сварки 1 м шва значительно выше стоимости электродуговой сварки, а производительность ниже. По указанным выше причинам объем применения газовой сварки на судостроительных заводах очень невелик. Для большинства работ, в том числе и для сварки цветных металлов, используется электрическая сварка.

Технология и режимы автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом

При разработке технологии автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом необходимо учесть особенности соединения и подготовки кромок под сварку, а также возможность выполнения сварки по различным вариантам. Выбранные режимы должны обеспечить сплошной провар при сварке стыковых соединений и получение шва заданного катета при сварке тавровых и угловых соединений. Во всех случаях режимы сварки должны обеспечить хорошее формирование швов. При выборе режимов автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом необходимо учитывать большое число различных факторов, влияющих на формирование и механические свойства сварных швов. Форма сварных швов и форма проплавления (провара) характеризуются: глубиной проплавления основного металла; шириной проплавления или шириной шва; высотой валика (утолщения); коэффициентом формы провара; площадью зоны проплавления; площадью зоны наплавки; отношением, определяющим долю основного металла в формировании шва. Изменение режима сварки и других технологических факторов по-разному влияет на размеры сварных швов. С увеличением силы тока при постоянном диаметре электродной проволоки увеличивается количество тепла, вводимого в изделие, и количество расплавляемого основного металла, а также возрастает сила дутья (давление газов) дуги, что способствует вытеснению металла из-под дуги и ее углублению в основной металл. Благодаря этому увеличивается глубина проплавления основного металла и доля участия его в формировании шва. Вследствие значительного «погружения» дуги в основной металл ширина шва возрастает мало. Объем расплавляемого электродного металла увеличивается, что обусловливает увеличение утолщения шва. Изменение плотности тока заметно влияет на глубину и ширину проплавления(для электрода одного и того же диаметра при увеличении тока). Однако плотность тока изменяется и при постоянном сварочном токе, но при изменении диаметра электрода. С увеличением плотности тока глубина проплавления и утолщение шва увеличиваются почти линейно; ширина проплавления увеличивается в меньшей степени и после определенного предела даже уменьшается. Увеличение напряжения связано с удлинением дуги; при этом возрастает доля тепла, идущего на плавление флюса. Увеличение полости, в которой горит дуга, ведет к увеличению ширины проплавления и некоторому уменьшению глубины проплавления и утолщения шва. Увеличение скорости сварки уменьшает время теплового воздействия дуги на основной металл, в результате чего снижаются глубина и особенно ширина проплавления. Электрод в продольной плоскости по оси шва может быть перпендикулярен шву или может иметь наклон - «углом назад» или «углом вперед». Процесс сварки углом назад мало отличается от сварки вертикальным электродом. Для сварки же с наклоном электрода углом вперед характерны следующие особенности: тепло рассеивается впереди дуги, металл из-под дуги вытесняется слабее, глубина проплавления уменьшается, но зато свариваемые кромки прогреваются сильнее, что устраняет опасность несплавления шва с основным металлом на больших скоростях сварки (более 80-100 м/час). Изменение вылета электрода в практически возможных пределах (30-50 мм) не влияет на размеры шва. Наклоняя изделия, сварку можно производить «на спуск» или «на подъем». При сварке на спуск жидкий металл подтекает под дугу и уменьшает глубину проплавления основного металла. При сварке на подъем сила тяжести способствует вытеснению жидкого металла из-под дуги: дуга погружается глубже в основной металл и глубина проплавления увеличивается, а ширина уменьшается. Правильное формирование швов возможно при угле наклона шва к горизонту в продольном направлении не свыше 8-10°. Угол наклона изделия в поперечном направлении (поворот шва) не должен превышать 10-20°. Так как на размеры шва оказывают влияние многие факторы, для ускорения выбора режимов сварки, как правило, используют заранее разработанные таблицы, составленные на основании большого количества опытов. Однако такие таблицы имеют частное значение и не позволяют в общем виде представить связь между параметрами режима сварки и размерами шва. В связи с отмеченными обстоятельствами появилось стремление создать расчетный метод выбора режима сварки. Предложены приближенные схемы расчета как для стыковых соединений (Институт электросварки; В. П. Демянцевич; М. Р. Шраерман), так и для швов тавровых соединений (Г. А. Бельчук; В. П. Демянцевич). По условиям правильного формирования шва скорость автоматической сварки должна лежать в пределах 12-75 м/час, а полуавтоматической 10-40 м/час. Нужно, однако, учитывать, что скорость 30-40 м/час при полуавтоматической сварке допустима только на коротких швах (из-за быстрой утомляемости сварщика). Необходимо иметь в виду, что судовые конструкции, как правило, не кантуются и швы тавровых соединений выполняются наклонным электродом. При этом качественное формирование шва за один проход получается при сварке шва катетом не более 8-9 мм. Швы с большими катетами выполняют за несколько проходов, исходя из следующих практических данных: швы катетом 9-14 мм следует варить за 2 прохода, швы катетом 15-16 мм за 3 прохода и швы катетом 17-20 мм за 4 прохода.

Технология и режимы электрошлаковой сварки монтажных стыков корпуса

Механизация сварки монтажных стыков корпуса судна до последнего времени осуществлялась только по соединениям палуб, настилов и платформ. После разработки Институтом электросварки специального автомата А-433М на многих судостроительных заводах был механизирован процесс сварки вертикальных монтажных стыков обшивки корпуса по бортам. В связи с особой ответственностью монтажных швов корпуса очень важное значение имеет стабильность качества электрошлаковой сварки. Особенностью подготовки соединения под сварку является то, что кромки не имеют скоса и собираются с заданным зазором при помощи скоб после обрезки припуска по монтажному стыку. Утолщение пазовых швов непосредственно у стыка (по 60-70 мм на сторону) срубают заподлицо с листом. Если свариваются листы различной толщины, на более толстом листе снимают ласку на ширину 100-150 мм с постепенным уменьшением толщины до толщины более тонкого листа. С обратной автомату стороны стыка устанавливают медные охлаждающие формы, которые прижимаются к стыку с помощью клиньев и струбцин. Для удобства крепления форм длина их не должна быть более 0,6-1 м. Все формы соединяют между собой шлангами и подключают к питающей водопроводной магистрали. Со стороны автомата принудительное формирование обеспечивается подвижным медным ползуном, также охлаждаемым водой. Следует подчеркнуть важность сохранения зазора в процессе сварки, так как иначе из-за возможного сдвига секции может измениться и ширина шва по длине. В связи с отмеченным обстоятельством на заводах часто ставят в зазор распорные планки -«закусы», которые выбивают по мере движения вверх каретки автомата. В конце стыка ставят две выводные планки размером 200 X 300 мм такой же толщины, как и свариваемые листы. Процесс сварки начинается при неподвижной каретке зажиганием дуги. После того как образуется достаточное количество жидкого шлака, дуговое пространство заливается шлаком и сварочная цепь шунтируется этим жидким шлаком; процесс переходит в шлаковый (это фиксируется по приборам либо по внешнему виду шлаковой ванны). В этот момент включается скорость, и каретка начинает перемещаться вверх. Уровень шлаковой ванны регулируется сварщиком-оператором вручную.

Технология и режимы сварки в среде углекислого газа

Размеры шва и доля участия основного металла в формировании шва при сварке в среде СО2 изменяются примерно по такому же закону, как и при сварке под флюсом. При сварке в среде СО2 применяют легированную электродную проволоку марок Св08ГС и Св08Г2С диаметром от 0,8 до 2 мм; расход углекислого газа около 1200 л/час. Подготовка кромок аналогична подготовке кромок при сварке под флюсом.

Технология и режимы приварки шпилек и сварки электрозаклепок

Для приварки шпилек необходимо иметь специальную установку и флюсовые шайбы. Флюсовые шайбы изготовляют из мелкомолотого флюса (90%) и жидкого стекла (10% по весу). Шайбы формуют, подвергают воздушной сушке (10-12 час. ) и прокалке в печи при температуре 350-400° С (30 мин. ). Внутренний диаметр шайб на 1 мм больше диаметра шпильки; наружный диаметр 15-20 мм; высота 6-10 мм. Флюсовые шайбы создают защиту сварочной ванны от вредного действия воздуха, легируют металл ванны и обеспечивают правильное формирование шва. До сварки места приварки шпилек зачищают механическим способом; у шпилек диаметром более 8 мм привариваемые концы затачивают на конус высотой 2 мм с углом 90°. Сварка шпилек на вертикальной плоскости и в потолочном положении производится на постоянном токе со снижением сварочного тока на 25-30%. Пробочные швы (электрозаклепки) применяются для присоединения набора к тонким листам: например, при изготовлении легких выгородок, платформ и палуб легких судов, судовой мебели и т. п. Сварка выполняется под флюсом на обычных полуавтоматах, либо с помощью специальной установки с применением флюсовых шайб. При сварке обычными полуавтоматами места соединений тщательно зачищают; сварка на толщинах до 3 мм ведется проплавлением электродной проволокой диаметром 1,6 мм; время сварки 0,5-1,5 сек. Сварка электрозаклепок специальным пистолетом на сталях толщиной до 3 мм с применением флюсовых шайб выполняется электродным прутком d = 3 мм.

Химическая сварка

Существует несколько распространенных способов химической сварки. Кузнечная (горновая) сварка - наиболее древний метод, постепенно вытесненный современными, более производительными методами сварки. Процесс кузнечной сварки может быть отнесен к одной из частных операций кузнечного производства. Он состоит в том, что свариваемые детали разогревают по свариваемой поверхности до температур, почти достигающих температуры плавления, а затем складывают друг с другом и обжимают под молотом, прессом или прокаткой между валками. Нагрев производится или в горнах (отсюда и название «горновая» сварка) или в специальных нагревательных печах. Чтобы обеспечить требуемое качество соединения, необходимо скашивать (или скруглять) поверхности, подлежащие сварке, чтобы сделать возможным удаление шлака при нажатии, и обеспечивать равномерный нагрев всей поверхности. В месте соединения детали перед сваркой утолщают с тем, чтобы после проковки сохранить их форму и размеры. Прочность сварного соединения, выполненного кузнечной сваркой, обычно не превышает 80% прочности свариваемого материала. Кузнечная горновая сварка в судостроении теперь почти не применяется. При термитной сварке кромки свариваемых изделий и присадочного материала разогреваются и расплавляются за счет теплоты, выделяемой при обменной реакции компонентов термита. Термитом называется порошкообразная механическая смесь окиси железа и некоторых металлов (алюминия, магния). Наиболее распространен термит на основе алюминия. В состав термитной смеси входят закись железа (FeO), закись-окись железа (Fe3O4) и окись железа (Fe2O3), а также измельченный алюминий. На практике для термитной смеси обычно применяется окалина, которая по составу близка к магнитной окиси железа Fe3O4. При реакции развивается температура около 3000° С. Термитную смесь помещают в магнезитовые или чугунные тигли, покрытые внутри слоем магнезита. Смесь зажигают (температура местного нагрева должна достигать 1200°С), после чего в тиглях происходит реакция. Термитная сварка может производиться литьем, давлением или комбинированным способом. При сварке литьем место соединения заливают жидким присадочным металлом - железом, скапливающимся в нижней части тигля. При сварке давлением сначала разогревают кромки жидким шлаком (глиноземом (АlО3), обладающим после реакции высокой температурой; жидкий шлак выливают из верхней части тигля. После этого разогретые с торцов детали сдавливают специальным приспособлением. При комбинированном способе сварки часть сечения сваривается литьем, а часть - давлением. Изменением состава термита и присадок, вводимых в смесь, при сварке литьем можно регулировать механические свойства сварного шва. Для воспламенения термита применяют различного состава зажигательные смеси, так как термит загорается только после подогрева некоторой его части до температуры не ниже 1200° С. Изделия, подлежащие термитной сварке, после соответствующей подготовки кромок заформовывают огнеупорной глиной в разъемных опоках, чтобы придать шву требуемую форму и избежать растекания жидкого металла. При сварке больших сечений свариваемые концы перед заливкой термитом подогревают для того, чтобы уменьшить скорость теплоотвода и обеспечить разогрев кромок до температуры плавления. Термитная сварка литьем применима преимущественно для соединения массивных деталей большого сечения. Например, в судостроении известны случаи применения термитной сварки для соединения частей отливок ахтерштевней и кронштейнов гребных валов. В настоящее время такие соединения выгоднее выполнять электрошлаковой сваркой. В ремонтных работах термитную сварку литьем иногда используют для восстановления лопнувших массивных машинных рам, станин и т. п. Термитная сварка давлением применима для стыкования труб, рельсов и различных стержней, но в судостроении она не распространена. Основные недостатки термитной сварки - большой объем подготовительных и вспомогательных работ (формовка, подогрев, обрубка прибылей и т. д. ) и невозможность текущего контроля хода процесса. При газовой (газо-кислородной) сварке свариваемые кромки нагревают до определенной температуры теплом экзотермической реакции, происходящей в пламени газовой горелки между горючим газом и кислородом, которые подводят в определенном объемном соотношении. Газовая сварка может осуществляться плавлением (с добавлением или без добавления присадочного материала) или давлением. Последний способ носит название «газопрессовой сварки». Газовой сваркой могут быть сварены различные материалы, в том числе стальной прокат, стальное литье, чугун, цветные металлы (медь, латунь, бронза, алюминий и др. ), драгоценные металлы (золото, серебро, платина) и, наконец, неметаллические материалы, например, стекло и различные пластмассы. Вторым обязательным компонентом, подаваемым в газосварочное пламя, является кислород, который интенсифицирует горение и повышает температуру пламени. Температура горения ацетилена в смеси с воздухом составляет не более 2350° С, а в смеси с чистым кислородом повышается до 3500° С. Очевидно, что уменьшение содержания излишних «балластных» примесей в продуктах горения (в случае сварки в смеси с воздухом такой примесью является азот) будет способствовать повышению окончательной температуры пламени. Наибольшей калорийностью и температурой пламени обладает ацетилен, который поэтому и имеет преобладающее распространение при выполнении газосварочных работ.

Способы улучшения и регулирования химического состава и механических свойств металла шва

Для обеспечения высоких механических свойств металла шва необходимо предотвратить вредное действие на него воздуха и частично легировать его по возможности недорогими элементами (например, кремнием и марганцем). Для этого применяют специальные электроды с толстым покрытием, которые обычно называют толстопокрытыми, или качественными, либо защищают зону сварки слоем флюса (при автоматической и полуавтоматической сварке под флюсом); при сварке в струе защитных газов (Аr, Не, С02) достигается только защита дуги и сварочной ванны от вредного действия воздуха. Покрытия, наносимые на электроды, а также флюсы должны удовлетворять следующим общим требованиям: 1) обеспечивать устойчивое горение дуги при заданном режиме; 2) создавать надежную защиту металла в зоне протекания металлургических процессов от вредного действия атмосферного воздуха в течение всего процесса сварки, т. е. в процессе плавления, переноса в дуге, пребывания в сварочной ванне и кристаллизации шва; 3) регулировать химический состав металла шва и обеспечивать его стабильность (с учетом химического состава проволоки); 4) обеспечивать правильное формирование шва в различных пространственных положениях и легкую удаляемость шлаков (сварка под флюсом только в нижнем положении). Кроме того, покрытия и флюсы должны сами равномерно расплавляться и обеспечивать равномерное плавление стержня, способствовать очищению металла шва от шлаков и газов, не содержать дефицитных и вредных для здоровья сварщика компонентов. Защитные газы обеспечивают только устойчивое горение дуги, надежную защиту зоны сварки от вредного действия атмосферного воздуха и правильное формирование шва в различных пространственных положениях. Очевидно, что на химический состав металла шва защитные газы непосредственно не влияют. При сварке толстопокрытыми электродами и под флюсом защита зоны сварки обеспечивается обычно как комбинированная газошлаковая защита. Газовую защиту можно обеспечить или непосредственным введением в зону сварки защитных газов, или за счет содержащихся в покрытии или флюсе компонентов, которые при диссоциации и сгорании образуют вокруг зоны сварки атмосферу из защитных газов восстановительного характера (СО, Н2, Н). В последние годы отказываются от элементов, дающих защитную среду Н2 и Н, в связи с отмечавшимся вредным влиянием водорода. Однако электроды с шлако-газовой защитой, в которой встречается водород, все еще применяются. При шлакообразующих покрытиях компоненты, содержащиеся в покрытии или флюсе, расплавляясь, образуют достаточное количество жидких шлаков, защищающих расплавленный металл и регулирующих его химический состав. Образующиеся при плавлении шлаки представляют сплавы различных окислов металлов и металлоидов, которые образуют комплексные химические соединения, жидкие и твердые растворы и механические смеси (эвтектики). Чтобы отвечать своему назначению, шлак должен обладать определенными физическими и химическими свойствами. Физические свойства шлака определяются: 1) теплофизическими характеристиками - температурой плавления, температурным интервалом затвердевания, теплоемкостью, теплосодержанием и т. д. 2) вязкостью; 3) способностью растворять окислы, сульфиды и т. п. ; 4) удельным весом; 5) газопроницаемостью; 6) свойствами в твердом состоянии (в связи с очисткой шва от шлака). Химические свойства шлака определяются его способностью: 1) раскислять металл шва; 2) связывать окислы в легкоплавкие соединения; 3) легировать металл шва. Различными исследованиями было установлено, что при сварке стали шлаки имеют наилучшие качества, если температура их плавления лежит в интервале 1100-1200° С. Температурный интервал затвердевания должен быть небольшим (шлак должен быть «коротким»). Шлаки, у которых переход от жидкого к твердому состоянию растянут на значительный температурный интервал («длинные» шлаки), при прочих равных условиях хуже коротких шлаков. Вязкость шлака имеет важное значение, так как, чем менее вязок шлак, тем больше его подвижность, а также физическая и химическая активность; тем быстрее в нем протекают химические реакции и физические процессы растворения. Однако для более надежного закрытия металла шва шлак не должен быть чрезмерно жидким. Это особенно важно при сварке на вертикальной плоскости и в потолочном положении. Для таких шлаков важно также, чтобы их переход из жидкого состояния в твердое совершался возможно быстрее. Для того чтобы легко всплывать на поверхность сварочной ванны, шлаки должны иметь небольшой удельный вес. Слой шлака, покрывающий шов, и в жидком виде и в процессе затвердевания должен легко пропускать газы, выделяющиеся из металла шва. Затвердевшие шлаки должны иметь небольшое сцепление с металлом; коэффициенты линейного расширения шлака и металла должны быть различными. В этих условиях шлак при остывании трескается и легко удаляется со шва, что имеет важное значение для уменьшения трудоемкости работ по очистке шва от шлака. При сварке в защитных газах атмосферный воздух оттесняется от дуги и сварочной ванны струей защитного газа (Аr, He, О2), подаваемого к месту сварки через сопло специальной горелки. Большим достоинством такого способа защиты является отсутствие шлака, от которого необходимо очищать шов после сварки. Степень защищенности зоны сварки от атмосферного воздуха наиболее четко характеризуется по содержанию в металле шва азота (так как кислород может попасть в металл шва любыми путями, а азот только из воздуха). Регулирование химического состава металла шва осуществляется за счет раскисления металла шва и его легирования. Наиболее простой и дешевый способ легирования - это легирование металла шва за счет компонентов, находящихся в толстом покрытии электродов или во флюсе. Такой способ пригоден, в основном, для сварки малоуглеродистых и низколегированных сталей. Более эффективным, но и более дорогим способом является сложное легирование металла шва элементами, введенными в электродную проволоку. Способ назван более дорогим в связи с технологическими трудностями изготовления сложнолегированной проволоки и ее большей стоимостью. При сварке в защитных газах этот способ легирования является основным, хотя в последнее время и появился способ газофлюсовой сварки с подачей в зону сварки защитного газа (например, СО2) и флюса, регулирующего химический состав металла шва. Широко применяется проволока, легированная только кремнием и марганцем. Химические свойства шлаков обеспечивают раскисление металла шва, т. е. очищение его от закиси железа, растворенной в металле, переводом ее в нерастворимые окислы, которые выводятся на поверхность сварочной ванны. Кроме того, шлаки рафинируют жидкий металл, т. е. очищают его от включений и вредных примесей (FeS, MnS, P2O5 и т. д. ). Процессы рафинирования жидкого металла сварочной ванны происходят одновременно с процессами его раскисления. При сварке происходит раскисление двух типов: осаждающее и диффузионное. При осаждающем раскислении железо восстанавливается из растворенной закиси другим металлом, который обладает большим химическим сродством с кислородом и дает окислы с очень малой растворимостью в железе. Образующиеся в металле окислы всплывают, переходя в шлаковое покрытие. Раскисляющая способность отдельных металлов зависит от их концентрации и температуры. Температура сварочной ванны в задней ее части не превышает 1600° С. Так, например, концентрации элемента-раскислителя 0,10% содержание кислорода в металле будет равно соответственно: при раскислителе марганце 0,10%; при раскислителе кремнии 0,018%; при раскислителе титане 0,003%. Следовательно, при рассматриваемых условиях раскисляющая способность титана будет в 6 раз больше, чем кремния, и в 33 раза больше, чем марганца. Обычно применяют раскислители, комбинированные из нескольких элементов (Mn; Si; Ti). Диффузионное раскисление происходит за счет химического связывания закиси железа в комплексные соединения: силикаты 2FeO-Si02 или титанаты 2FeO-TiO2, которые в составе шлаков выводятся на поверхность металла. Осаждающие раскислители должны иметь высокую активность в смысле быстрого взаимодействия с закисью железа. Продукты раскисления не должны растворяться в металле шва и должны возможно быстрее всплывать на поверхность сварочной ванны. Скорость всплытия этих частиц тем выше, чем больше разность удельных весов металла и продуктов раскисления, чем больше размер этих частиц и чем меньше вязкость среды (очевидно, в более холодном металле отделение и всплытие частиц затруднено). В этом отношении наименьший удельный вес и температуру плавления имеют комплексные соединения, как, например FeO-SiO2; (FeO)2-SiO2; MnO-SiO2; (MnO)2-SiO2, а также окислы и сульфиды FeS; FeO; MnS; MnO; SiO2. Некоторое количество металлов, применяемое для раскисления, должно оставаться в шве для его легирования. Раскисление при сварке происходит обычно за счет следующих элементов: углерода, кремния, марганца, титана и, редко, алюминия, - вводимых через покрытие, флюс или электродную проволоку. Углерод попадает в сварочную ванну из электродного и основного металла и из покрытия или флюса (из ферросплавов) и является наиболее распространенным легирующим элементом. Однако при недостатке некоторых раскислителей (Mn, Si), углерод может вести себя как раскислитель, взаимодействуя с FeO. Окись углерода нерастворима в стали, и при интенсивной реакции раскисления углеродом значительное количество ее может оставаться в металле шва, образуя газовые пузыри и поры. Кремний является энергичным раскислителем и вводится в сварочную ванну обычно через покрытие или флюс и основной металл. Имеющийся в сварочной ванне кремний подавляет реакцию между FeO и углеродом, т. е. прекращает бурное окисление углерода и «кипение» сварочной ванны в результате выделения СО, что «успокаивает» сварочную ванну и обеспечивает получение плотного шва. Кроме того, наличие в металле шва 0,2-0,3% Si улучшает его механические качества. При более высоком содержании кремния (0,5% и выше) пластические свойства металла шва и особенно его коррозионная стойкость падают. Марганец - слабый раскислитель; он вводится в сварочную ванну обычно через покрытие и флюс, а также из электродного и основного металла. Очень ценное качество марганца заключается в том, что он удаляет из сварочной ванны серу в результате образования сульфида марганца. Сульфид марганца нерастворим в металле и благодаря малому весу всплывает на поверхность ванны, переходя в шлаковый покров. Возможность некоторого засорения металла шва сульфидом марганца менее опасна, так как MnS залегает в виде отдельных мелких включений, имеет температуру плавления 1620° С и поэтому не представляет опасности в отношении образования горячих трещин. Полезно, чтобы в шве в качестве легирующего элемента оставалось некоторое количество марганца (до 0,8%), так как это улучшает механические свойства металла шва. Титан - энергичный раскислитель, но значительно более дорогой, чем кремний или марганец, и поэтому применяется реже. Титан вводится через покрытие в виде ферротитана и раскисляет металл шва, кроме того, он связывает азот в нитриды титана, нерастворимые в стали, и способствует измельчению зерна метала шва при его кристаллизации. Алюминий также является энергичным раскислителем, но образует тугоплавкий окисел (температура плавления 2050° С), который медленно переходит в шлак. По этой причине алюминий применяется очень редко (причем не оолее 1% в покрытии, так как большее содержание его вызывает сильное разбрызгивание металла при сварке). Важная функция шлака - очищение жидкого металла сварочной ванны от серы и фосфора. Сера попадает в сварочную ванну из основного металла, главным образом, из средних его слоев, а также из электродного металла и покрытия или флюса. В металле шва сера может находиться в виде соединений FeS, MnS, Al2S и т. п. Наиболее вреден сульфид железа, так как он растворяется в металле до 2% FeS (или 0,7% S). Наличие серы снижает механические качества металла и сильно повышает склонность его к горячим трещинам. Процесс удаления серы заключается в разрушении растворяемого сульфида железа и образовании нерастворимых в металле сульфидов марганца и кальция, которые затем удаляются в шлак. Фосфор попадает в сварочную ванну из электродного и основного металла, а также из покрытия и флюса. В металле шва он находится в виде фосфидов Fe2P (21,75% Р), Fe3P (15,6% Р). Фосфор способствует образованию сильной неоднородности металла шва и росту зерна, а также резкому снижению пластичности, особенно при низких температурах (хладноломкость металла). Фосфор удаляется при сварке благодаря окислению его, a Р203 связывается в химическое соединение окислами кальция. Эти стойкие соединения фосфора уходят в шлак. Конечная концентрация какого-либо элемента в шве может рассчитываться по приближенному уравнению. Наиболее распространенные толстопокрытые электроды создают комбинированную газошлаковую защиту. Толщина покрытия таких электродов составляет 0,8-1,5 мм на сторону, а его вес по отношению к весу стержня доходит до 20-30% (для специальных электродов до 70% и более). Используются электроды различных марок (марки присваивают в зависимости от типа покрытия), но наибольшее распространение получили электроды, дающие большое количество СаО в шлаке, что обеспечивает очень хорошую очистку металла шва от вредных примесей. В качестве газообразующих компонентов иногда используют органические вещества (древесная и пищевая мука, декстрин, целлюлоза), но чаще неорганические (мел, мрамор), дающие защитные газы СО и С02 без водорода. В качестве шлакообразующих материалов широко применяются следующие вещества: марганцевая руда, титановый концентрат, полевой шпат, плавиковый шпат, мел и мрамор. Кроме того, для раскисления и, частично, для легирования металла шва вводят ферросплавы: ферромарганец, ферросилиций, ферротитан. Чтобы обеспечить устойчивое горение дуги, для ионизации дугового промежутка вводят окислы элементов щелочной группы: К2О, MgO, СаО. Связывающим элементом в покрытии служит жидкое стекло (силикат натрия - раствор) Na2O * SiO2, составляющее 10-15% по отношению к весу остальных компонентов. Флюс выполняет те же функции, что и покрытие, т. е. обеспечивает стабильность горения дуги, создает надежную защиту зоны сварки от воздуха, раскисляет и легирует металл шва и обеспечивает правильное формирование шва. Чтобы обеспечить стабильные химический состав и механические свойства металла шва, флюс применяют в виде плавленых силикатов. Флюс обычно изготовляют из следующих компонентов: МnО, SiO2, СаО, CaF2; кроме того, в нем содержатся случайные примеси. Во флюсе отсутствуют ферросплавы, поэтому ряд металлургических процессов при сварке под флюсом отличается от происходящих при сварке толстопокрытыми электродами. При сварке толстопокрытыми электродами легирование металла шва происходит за счет ферросплавов, имеющихся в покрытии. При сварке под флюсом легирующими элементами служат Мn и Si, восстанавливаемые из окислов МnО и SiO2. Переход этих элементов из флюса в металл в значительной степени зависит от соотношения между количеством расплавленного флюса и металла. Чем больше доля расплавленного флюса, тем сильнее легирование шва Мn и Si.