Глава 10. Технология выполнения ручной дуговой сварки.

Техника выполнения швов.

Для выполнения сварного шва прежде всего определяют режим сварки, обеспечивающий хорошее качество сварного соединения, установленные размеры и форму при минимальных затратах материалов, электроэнергии и труда.

Режимом сварки называется совокупность параметров, определяющих процесс сварки: вид тока, диаметр электрода, напряжение и значение сварочного тока, скорость перемещения электрода вдоль шва и др. Основными параметрами режима ручной дуговой сварки являются диаметр электрода и сварочный ток. Остальные параметры выбирают в зависимости от марки электрода, положения свариваемого шва в пространстве, вида оборудования и др. Диаметр электрода устанавливают в зависимости от толщины свариваемых кромок, вида сварного соединения и размеров шва.

Для стыковых соединений приняты практические рекомендации по выбору диаметра электрода в зависимости от толщины свариваемых кромок. При выполнении угловых и тавровых соединений принимают во внимание размер катета шва. При катете шва 3–5 мм сварку производят электродом диаметром 3–4 мм. При катете 6–8 мм применяют электроды диаметром 4–5 мм.

При многопроходной сварке швов стыковых соединений первый проход выполняют электродом диаметром не более 4 мм. Это необходимо для хорошего провара корня шва в глубине разделки.

По выбранному диаметру электрода устанавливают значение сварочного тока. Обычно для каждой марки электродов значение тока указано на заводской этикетке, но можно также определить по следующим формулам:

I = (40–50)d,

при d = 4–6 мм;

I = (20+6d)d,

при d меньше 4 и больше 6 мм,

где I – значение сварочного тока (А);

d – диаметр электрода (мм).

Полученное значение сварочного тока корректируют, учитывая толщину металла и положение свариваемого шва. При толщине кромок менее 1,3–1,6 безрасчетное значение сварочного тока уменьшают на 10–15 %, при толщине кромок больше трех диаметров электрода увеличивают на 10–15 %. Сварку вертикальных и потолочных швов выполняют сварочным током, на 10–15 % уменьшенным против расчетного.

Сварочную дугу возбуждают двумя приемами:

1. Можно коснуться свариваемого изделия торцом электрода и затем отвести электрод от поверхности изделия на 3–4 мм, поддерживая горение образовавшейся дуги (рис. 60а).

2. Можно также быстрым боковым движением коснуться свариваемого изделия и затем отвести электрод от поверхности изделия на такое же расстояние (по методу зажигания спички) (рис. 60б).

Рис. 60.

Зажигание сварочной дуги:

а – кратковременным прикосновением электрода к поверхности изделия; б – чирканьем конца электрода о поверхность изделия

Прикосновение электрода к изделию должно быть кратковременным, так как иначе он приваривается к изделию, т. е. «примерзает». Отрывать «примерзший» электрод следует резким поворачиванием его вправо и влево. После отрыва дуга зажигается повторно (рис. 61).

Рис. 61.

Зажигание дуги после ее обрыва:

1 – место повторного зажигания дуги;

2 – кратер

Длина дуги значительно влияет на качество сварки.

Короткая дуга горит устойчиво и спокойно. Она обеспечивает получение шва высокого качества, так как расплавленный металл электрода быстро проходит дуговой промежуток и меньше подвергается окислению и азотированию. Но при этом слишком короткая дуга вызывает «примерзание» электрода, дуга прерывается, нарушается процесс сварки. Горение длинной дуги происходит неустойчиво, с характерным шипением. Глубина проплавления недостаточная, расплавленный металл электрода разбрызгивается и больше окисляется и азотируется. Шов получается бесформенным, а металл шва содержит большое количество окислов.

Для электродов с толстым покрытием длина дуги указывается в паспортах. В процессе сварки электроду сообщаются движения, показанные на рисунке 62.

Рис. 62.

Перемещение электрода в трех направлениях

Скорость перемещения электрода не должна быть большой, так как металл электрода не успевает сплавиться с основным металлом и получается непровар.

При малой скорости перемещения возможны перегрев и пережог металла, шов получается широкий, толстый, производительность сварки низкая.

Поперечные колебательные движения (рис. 63) применяют для получения уширенного валика. Поперечные движения замедляют остывание наплавляемого металла, облегчают выход газов и шлаков и способствуют наилучшему сплавлению основного и электродного металла и получению высококачественного шва. Образующийся в конце наплавки валика кратер необходимо тщательно заварить.

Рис. 63. Колебательные движения концом электрода поперек шва:

1, 2, 3 – для равномерного прогрева сварочной ванны; 4 – для усиленного прогрева корня шва; 5, 6 – для усиленного прогрева кромок

Поперечные колебательные движения конца электрода определяются формой разделки, размерами и положением шва, свойствами свариваемого материала, навыком сварщика. Техника выполнения зависит от вида и пространственного положения шва.

Нижние швы наиболее удобны для выполнения, так как расплавленный металл электрода под действием силы тяжести стекает в кратер и не вытекает из сварочной ванны, а газы и шлак выходят на поверхность металла. Поэтому по возможности следует вести сварку в нижнем положении.

Стыковые швы без скоса кромок выполняют наплавкой вдоль шва валика с небольшим уширением. Необходимо хорошее проплавление свариваемых кромок. Шов делают с усилением выпуклость шва до 2 мм. После проверки шва с одной стороны изделие переворачивают и, тщательно очистив от подтеков и шлака, заваривают шов с другой стороны.

Сварку стыковых швов с V-образной разделкой (рис. 64) при толщине кромок до 8 мм производят в один слой, а при большей толщине – в два слоя и более. Первый слой наплавляют высотой 3–5 мм электродом, диаметр которого 3–4 мм. Последующие слои выполняют электродом диаметром 4–5 мм. Перед наплавкой очередного слоя необходимо тщательно очистить металлической щеткой разделку шва от шлака и брызг металла. После заполнения всей разделки шва изделие переворачивают и выбирают небольшую канавку в корне шва, которую затем аккуратно заваривают. При невозможности подварить шов с обратной стороны следует особенно аккуратно проварить первый слой.

Рис. 64.

Сварка стыковых швов:

а – однослойный шов; б – многослойный шов; 1–7 – последовательность наложения швов

Стыковые швы с Х-образной разделкой выполняют аналогично многослойным швам с обеих сторон разделки.

Угловые швы в нижнем положении (рис. 65) лучше выполнять в положении «лодочка». Если изделие не может быть так установлено, необходимо особенно тщательно обеспечить хороший провар корня шва и свариваемых кромок. Сварку следует начинать с поверхности нижней кромки и затем переходить через разделку шва на вертикальную кромку.

Рис. 65.

Сварка угловых швов:

а – траектория движения электрода; б – изменение угла наклона электрода; в – сварка в «лодочку»

Таблица 18

Сварные соединения

При наложении многослойного шва первый валик выполняют ниточным швом электродом с диаметром 3–4 мм. При этом необходимо обеспечить хороший провар корня шва. Затем после зачистки разделки наплавляют последующие слои.

Вертикальные швы (рис. 66) менее удобно сваривать, так как сила тяжести увлекает капли электродного металла вниз. Следует выполнять вертикальные швы короткой дугой снизу вверх. При этом капли металла легче переходят в шов, а образующийся кратер в виде полочки удерживает очередные капли металла от стекания вниз.

Рис. 66.

Сварка вертикальных швов:

а – снизу вверх; б – сверху вниз; 1 – положение электрода в начале сварки; 2 – положение электрода в процессе наложения шва

Таблица 19

Допустимая наибольшая разность толщин стыкуемых деталей, свариваемых без скоса кромок

Таким же образом можно вести сварку и сверху вниз. При этом дугу следует зажигать при положении электрода, перпендикулярном плоскости изделия. После образования первых капель металла электрод наклоняют вниз и сварку выполняют максимально возможной короткой дугой. Рекомендуется применять электроды диаметром 4–5 мм при несколько пониженном сварочном токе (150–170 А).

Таблица 20

Величина скоса детали, имеющей большую толщину, при стыковом соединении ее с тонкостенной деталью

Горизонтальные швы (рис. 67) выполняют при разделке кромок со скосом у верхнего листа. Дугу возбуждают на нижней кромке и затем переводят на поверхность скоса и обратно. Сварку выполняют электродом диаметром 4–5 мм.

Рис. 67.

Сварка горизонтальных швов:

а – стыковое соединение со скосом одной кромки; б – нахлестанное соединение; в – стыковое соединение со скосом двух кромок

Горизонтальные нахлесточные швы выполнять легче, так как нижняя кромка образует полочку, удерживающую капли расплавленного металла.

Потолочные швы (рис. 68) требуют высокой квалификации сварщика. Применяют электроды диаметром не более 5 мм при уменьшенном значении сварочного тока. Следует применять тугоплавкое покрытие электрода, образующее «чехольчик», в котором удерживается расплавленный металл электрода. Дуга должна быть как можно короче для облегчения перехода капель металла электрода в кратер шва.

Рис. 68.

Сварка потолочных швов

Выбор порядка и способа выполнения сварных швов зависит от протяженности шва и толщины металла. При сварке тонколистовой стали необходимо строгое соблюдение техники выполнения сварных швов. Особую опасность представляют сквозные прожоги и проплавление металла. Сталь толщиной 0,5–1,0 мм следует сваривать внахлестку с проплавлением через верхний лист или встык с укладкой между свариваемыми кромками стальной полосы. Во втором случае расплавление кромок должно происходить при косвенном воздействии дуги.

Питание дуги производится от преобразователей ПС–100–1 или аппарата переменного тока ТС–120, так как они отличаются повышенным напряжением холостого хода и относительно малыми значениями сварочного тока.

Таблица 21

Допустимые значения выпуклости и вогнутости сварных угловых швов

Рекомендуются следующие режимы сварки:

Таблица 22

Температура подогрева стыков перед прихваткой и сваркой дуговыми способами при положительной температуре воздуха

Применяют электроды с покрытием марок МТ или ОМА–2. Сварку ведут на массивных теплоотводящих медных подкладках. Такой способ теплоотвода предохраняет металл от сквозного прожога и способствует хорошему формированию шва. Тонколистовую сталь можно сваривать с отбортовкой кромок. Сварку производят постоянным током неплавящимся электродом (угольным или графитовым) диаметром 6–20 мм при значении сварочного тока 120–160 А.

Металл большой толщины сваривают в несколько проходов. Разделка кромок может быть заполнена слоями или валиками. При толщине металла 15–20 мм сварку выполняют секциями способом двойного слоя: шов разбивают на участки длиной 250–300 мм и каждый участок заваривают двойным слоем. Наложение второго слоя производят после удаления шлака по неостывшему первому слою.

При толщине металла 20–25 мм и более применяют сварку каскадом или сварку горкой. Каскадный способ заключается в следующем: весь шов разбивают на участки и сварку ведут непрерывно. Окончив сварку слоя на первом участке, продолжают выполнение следующего слоя второго участка по неостывшему предыдущему слою. Разновидностью сварки каскадом является сварка горкой, которая обычно выполняется двумя сварщиками одновременно. Сварка горкой ведется от середины шва к краям. Такие способы сварки обеспечивают более равномерное распределение температуры и значительное снижение сварочных деформаций.

Рис. 69.

Схемы сварки:

а – на проход; б – от середины к краям; в – обратноступенчатым способом; г – блоками; д – каскадом; е – горкой; А – направление заполнения разделки; 1–5 – последовательность сварки в каждом слое

Способы выполнения сварных швов по длине зависят от их протяженности (рис. 69). Условно принято различать короткие швы, длиной до 250 мм, средние швы, длиной 250–1000 мм и длинные швы протяженностью более 1000 мм. Короткие швы выполняют сваркой на проход, швы средней длины сваривают либо от середины к краям, либо так называемым обратноступенчатым способом. Этот способ заключается в том, что весь шов разбивают на участки и сварку участка производят в направлении, обратном общему направлению сварки шва. Конец каждого участка совпадает с началом предыдущего участка. Длина участка выбирается в пределах 100–300 мм в зависимости от толщины металла и жесткости свариваемой конструкции. Длинные швы сваривают обратноступенчатым способом.

Сварка при низких температурах отличается следующими основными особенностями: стали изменяют свои механические свойства – понижается ударная вязкость и уменьшается угол загиба, ухудшаются пластические свойства и несколько повышается хрупкость, а отсюда склонность к образованию трещин. Это особенно заметно у сталей, содержащих более 0,3 % углерода, а также у легированных сталей, склонных к закалке.

Металл сварочной ванны охлаждается значительно быстрее, что приводит к повышенному содержанию газов и шлаковых включений и, как следствие, к снижению механических свойств металла шва.

В связи с этим установлены следующие ограничения сварочных работ при низкой температуре. Сварка металла толщиной более 40 мм при температуре 0 °C допускается только с подогревом. Подогрев необходим для сталей толщиной 30–40 мм при температуре ниже –10 °C, для сталей толщиной 16–30 мм – при температуре ниже –20 °C и для сталей толщиной менее 16 мм – при температуре ниже –30 °C. Для подогрева металла применяют горелки, индукционные печи и другие нагревательные устройства.

Сварку производят электродами типов ЭЧ2А, ЭЧ6А, Э50А, обеспечивающими высокую пластичность и вязкость металла шва. Значение тока на 15–20 % выше нормального.

Эффективные методы проведения сварки.

Метод опирания, или сварка с глубоким проплавлением.

Электрод с утолщенным покрытием используют для получения глубокого проплавления. Стержень электрода плавится быстрее покрытия, в итоге чего на конце электрода образуется чехольчик. Опираясь этим чехольчиком на кромки свариваемого изделия, перемещают электрод вдоль шва без колебательных движений.

Для получения узких швов рекомендуется усиливать нажим на электрод в направлении сварки, а для получения широких швов нажим необходимо ослаблять. Такой метод обеспечивает повышение производительности сварки до 70 % за счет уменьшения расхода наплавляемого металла на единицу длины шва. Короткая дуга и большая концентрация теплоты значительно увеличивают глубину проплавления основного металла.

В закрытой чехольчиком зоне дуги потери металла на угар и разбрызгивание минимальные. Сварочный ток может быть повышен на 40–60 % по сравнению с нормальным. Метод особенно эффективен при сварке угловых и тавровых соединений в нижнем положении или «в лодочку». Для сварки с глубоким проплавлением применяют электроды типов ОЗС–2, ОЗС–6, СМ–17 и др. Сварка таким методом не требует высокой квалификации.

Сварка пучком электродов.

Два или несколько электродов с качественным покрытием связывают в двух-трех местах по длине тонкой проволокой, а оголенные от покрытия концы прихватывают сваркой. Через электрододержатель ток подводится одновременно ко всем электродам. Дуга возбуждается на том электроде, который ближе к свариваемому изделию. По мере проплавления дуга переходит от одного электрода к другому. При таком методе электрод нагревается значительно меньше, что позволяет работать при больших токах. Например, при трех электродах диаметром 3 мм допустимый сварочный ток достигает 300 А. Потери металла на угар и разбрызгивание не возрастают, при этом производительность сварки повышается в 1,5–2 раза. Коэффициент наплавки электродов увеличивается, так как стержни электродов все время подогреваются теплотой дуги. В применении этого метода есть одна особенность: пучком электродов невозможно обеспечить хороший провар корня разделки шва. Поэтому приходится предварительно одиночным электродом проваривать корень разделки, а затем уже производить сварку шва пучком электродов. Этот метод дает высокую производительность при наплавочных работах.

Сварка трехфазной дугой.

Сварка осуществляется двумя электродами, изолированными друг от друга (рис. 70). К электрододержателю подводятся две фазы источника тока, а третья фаза подводится к свариваемому изделию. Возбуждаются и одновременно горят три сварочные дуги: по одной между каждым электродом и изделием и третья между электродами. Такая схема значительно повышает устойчивость горения дуги, улучшает степень использования теплоты дуги и позволяет снизить напряжение холостого хода.

Рис. 70.

Сварка трехфазной дугой:

1, 2 – плавящиеся электроды; 3, 5, 6 – сварочные дуги; 4 – основной металл.

При сварке трехфазной дугой применяются также следующие схемы:

• сварка двумя одинарными электрододержателями;

• сварка одним одинарным электрододержателем и вторым электродом, уложенным в разделку шва, но изолированно от свариваемого изделия;

• сварка пучком электродов, из которых только два токоведущие, а остальные холостые (т. е. не включены в сварочную цепь и расплавляются от теплоты дуги).

Сварка трехфазной дугой применима при любых соединениях в нижнем и наклонном положениях. Такой метод особенно рекомендуют для сварки в нижнем положении и «в лодочку» угловых и тавровых соединений.

Сварка ванным способом.

Ванный способ применяют при сварке стыков арматуры железобетонных конструкций. Сущность способа заключается в следующем: к стержням арматуры в месте стыка приваривают стальную форму, в которой теплотой дуги создают ванну расплавленного металла, непрерывно подогреваемую дугой. От теплоты металла ванны плавятся торцы свариваемых стержней, образуется общая ванна металла шва и затем при остывании – сварное соединение.

При сварке вертикальных швов в качестве формующей детали применяют штампованную форму из листовой стали, которую приваривают к нижнему стержню, после чего прихватывают конец верхнего стержня к нижнему стержню и переходят к заполнению формы наплавляемым металлом. Для выпуска шлака прожигают электродом отверстия в стенке формы, которые затем заваривают.

Процесс сварки ведут при больших токах. Например, для электродов диаметром 5–б мм значение сварочного тока достигает 400–450 А.

Сварку при низких температурах выполняют током выше установленного на 10–12 %. Зазор между торцами свариваемых стержней должен быть не меньше удвоенного диаметра электрода. Сварку можно выполнять одним или несколькими электродами одновременно. Рекомендуется применять электроды марки УОНИИ–13/55 (типа Э50А). Ванный способ значительно уменьшает расход электродов и электроэнергии, снижает трудоемкость.

Деформации и напряжения при проведении сварки.

Сварные деформации и напряжения снижают механическую прочность сварных конструкций. Для получения сварных конструкций высокой прочности необходимо, прежде всего, выбрать наиболее рациональное размещение сварных швов, сочетая его с оптимальной технологией выполнения.

Количество сварных швов, их протяженность и сечение должны быть минимальными в соответствии с прочностным расчетом конструкции. Перекрещивающиеся швы не рекомендуются. Симметричное расположение швов значительно снижает деформацию конструкции. Стыковые швы более желательны, чем угловые.

Основными причинами возникновения сварочных деформаций и напряжений являются:

• неравномерное нагревание и охлаждение изделия;

• литейная усадка наплавленного металла;

• структурные превращения в металле шва.

Неравномерное нагревание и охлаждение вызывают тепловые напряжения и деформации. При сварке происходит местный нагрев небольшого объема металла, который при расширении воздействует на близлежащие менее нагретые слои металла. Напряжения, возникающие при этом, зависят главным образом от температуры нагрева, коэффициента линейного расширения и теплопроводности свариваемого металла. Чем выше температура нагрева, а также чем больше коэффициент линейного расширения и ниже теплопроводность металла, тем больше тепловые напряжения и деформации в свариваемом шве.

Литейная усадка вызывает напряжения в сварном шве в связи с тем, что при охлаждении объем наплавленного металла уменьшается, вследствие чего в близлежащих слоях металла возникают растягивающие усилия, являющиеся причиной образования напряжений и деформаций в металле. При этом чем меньше количество расплавленного металла, тем меньше значения возникающих напряжений, деформаций.

Структурные превращения вызывают растягивающие и сжимающие напряжения, так как они в некоторых случаях сопровождаются изменениями объема свариваемого металла. Например, у углеродистых сталей при нагреве происходит образование аустенита из феррита. Этот процесс сопровождается некоторым уменьшением объема. При больших скоростях охлаждения шва металла у высокоуглеродистых сталей аустенит образует структуру менее плотную, чем металл. Это сопровождается увеличением объема наплавленного металла. При сварке низкоуглеродистой стали напряжения, возникающие от структурных превращений, небольшие и практического значения не имеют.

Стали, содержащие более 0,35 % углерода, и большинство склонных к закалке легированных сталей дают значительные объемные изменения от структурных превращений. Вследствие этого развиваемые напряжения оказываются достаточными для возникновения трещин. Для уменьшения внутренних напряжений и деформаций, возникающих при сварке, рекомендуется ряд технологических мер и приемов наложения сварных швов.

Важное значение имеют:

• правильный выбор конструкции изделия;

• расположение сварных швов;

• последовательность их выполнения;

• режимы сварки.

Уменьшения внутренних напряжений достигают следующими мерами:

• длинные швы выполняют обратноступенчатым способом на проход;

• многослойная сварка выполняется каскадным способом или горкой, при этом хорошие результаты дает послойная проковка шва (кроме первого и последнего слоев);

• швы накладывают с таким расчетом, чтобы последующий шов вызывал деформации, обратные возникшим от предыдущего шва;

• последовательность выполнения швов должна допускать свободную деформацию элементов конструкций. Например, при сварке настила из нескольких листов следует в первую очередь выполнить швы, соединяющие листы полос, и лишь затем швы, соединяющие эти полосы между собой;

• для вязких металлов могут быть рекомендованы способы сварки, значительно снижающие остаточные деформации – закрепление элементов свариваемой конструкции в сборно-сварочных приспособлениях (сборка, сварка и остывание изделия);

• широко применяется на практике способ, заключающийся в интенсивном отводе теплоты. Например, частичным погружением изделия в воду, охлаждением струей воды, применением отводящих теплоту медных подкладок. У сталей, склонных к образованию закалочных структур, резкое охлаждение шва и околошовной зоны вызывает значительные внутренние напряжения и даже появление трещин в наплавленном металле.

Для уменьшения разности температур в изделии и обеспечения медленного охлаждения применяют предварительный подогрев изделия. При сварке в условиях низких температур такой подогрев обязателен даже для низкоуглеродистых сталей.

Для снятия внутренних напряжений иногда применяют термическую обработку сварных изделий, главным образом отжиг или нормализацию. Отжиг применяют полный или низкотемпературный.

Полный отжиг производится путем нагрева изделия до температуры 800–950 °C, выдержки при этой температуре и последующего медленного охлаждения. В результате такой обработки пластичность и вязкость наплавленного металла и металла зоны термического влияния возрастают, а твердость металла снижается. При этом в сварном изделии полностью снимаются внутренние напряжения.

Низкотемпературный отжиг (или высокий отпуск) производится нагревом сварного изделия до температуры 600–650 °C, выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением. Так как температура нагрева ниже критической, структурные изменения в металле не происходят. При меньших температурах нагрева сварочные напряжения снимаются частично.

Нормализация производится нагревом изделия до температуры на 30–40 °C выше критической, выдержкой при этой температуре и охлаждением на воздухе (т. е. с несколько большей скоростью, чем при отжиге). Подобная обработка является наилучшей для сварных изделий, так как не только снимает внутренние напряжения, но и позволяет получить мелкозернистую структуру металла. Особенно следует рекомендовать нормализацию для сварных изделий из низкоуглеродистых сталей, содержащих углерода менее 0,25 %.