Сварка тонколистовых материалов

С точки зрения сварки к тонким элементам изделий можно отнести толщины менее 3...5 мм. Назначение сварки – обеспечение соответствия физико-механических свойств сварного шва и основного металла нормативно-технической документации. Для получения качественных соединений тонких стальных элементов необходимо учитывать следующее...

Наиболее важными свойствами являются пластичность, прочность, ударная вязкость, стойкость против коррозии. Для обеспечения указанных свойств при сварке тонких листов применяют защитные среды, раскисление, шлаковую защиту, легирование металла. Газовая защита расплавленного металла образуется при сгорании газообразующих веществ. Она предохраняет расплавленный металл от воздействия кислорода и азота. Раскисление металла сварочной ванны осуществляют элементами, обладающими большим сродством к кислороду, чем железо. Легирование металла шва применяют для придания ему специальных свойств (повышение механических свойств, износостойкости, жаростойкости, сопротивления коррозии). В качестве легирующих компонентов используются хром, никель, молибден, вольфрам, марганец, титан.

Виды сварки тонких элементов

Для сварки тонких элементов применяют следующие виды сварки:

• Дуговая сварка представляет собой соединение металлов с помощью электрической дуги. Этот тип сварки включает в себя такие виды, как плазменная, электрошлаковая, электроннолучевая и термитная. Энергия электронного луча нашла свое применение в электронно-лучевой сварке. Теплота выделяется в результате бомбардировки поверхности металла электронами, имеющими большие скорости; анодом служит свариваемая деталь, катодом – вольфрамовая спираль. Поверхность катода испускает электроны, формируемые в пучок, который фокусируется на соединяемые заготовки магнитной линзой. Перемещает луч специальная катушка. Использование теплоты, выделяемой нагретой смесью оксида железа и алюминия, лежит в основе термитной сварки. В результате образуется жидкий металл, который при заполнении формы оплавляет кромки свариваемых изделий, заполняет зазор, образуя тем самым шов.
• В ультразвуковой сварке упругие колебания передаются по волноводу от преобразователя к рабочему наконечнику. Соединяемые изделия помещают между наконечником и специальной опорой. Под действием вертикального сжимающего усилия и ультразвуковых колебаний в заготовках возникают силы трения, достаточные для получения сварного соединения.
• При контактной сварке, которая, в свою очередь, делится на точечную и стыковую, происходит сварка давлением. Здесь соединяемые заготовки зажимаются электродами. В зоне контакта под действием сварочного тока происходит сильный разогрев, затем сжатие заготовок и, как результат, образование сварного соединения.
• Если при соединении изделия используют радиочастотную сварку, то свариваемые заготовки нагреваются с помощью высокочастотного индуктора. В результате этого происходит оплавление кромок заготовок. Сварное соединение получается в результате сжимающего действия роликов на оплавленные кромки.
• Лазерная сварка осуществляется световым лучом, получаемым от специальных твердотельных или газовых излучателей. Вакуум при сварке лазером не нужен, и ее можно выполнять на воздухе даже на значительном расстоянии от источника излучения.
• Сварка трением осуществляется с помощью вращения одного из свариваемых элементов и соприкосновения его торца с торцом закрепленного металла. Торцы материалов разогреваются и с приложением осевого усилия свариваются. Холодная сварка базируется на свойстве металла «схватываться» при значительном давлении.
• Качественное соединение получают при использовании сварки взрывом, которая позволяет получить соединение разнородных металлов и сплавов с прочностью не ниже основного металла. Сваркой взрывом получают би-металлические пластины. Тонкие материалы чаще всего сваривают в нахлест и в стык. Стыковые швы широко применяют в машиностроении, а также при сварке емкостей и труб. При соединении 2 листов металла, в котором один лист накладывается на другой с нахлестом, образуется нахлесточный шов. Нахлесточные швы применяются в конструкциях металлических ферм, резервуаров и пр.

Перед выполнением сварки необходимо свариваемые поверхности подготовить. Подготовительные работы включают в себя правку, разметку, резку, подготовку кромок под сварку и холодную или горячую гибку.

В подготовительные работы, кроме вышеперечисленных, входит также очистка металла от масла, ржавчины, окалины, влаги и различных неметаллических загрязнений. Присутствие этих загрязнений часто является причиной образования в сварных швах пор, трещин, шлаковых включений, что ведет к снижению прочности сварного соединения.

При сварке тонких листов необходимо обеспечить максимальный провар корня шва и сформировать качественный обратный валик. В этом случае хорошо зарекомендовал себя способ сварки на съемной медной или остающейся стальной подкладке. При этом в медной подкладке делается формирующая канавка. Чтобы расплавленный металл не вытекал из сварочной ванны, необходимо обеспечить плотное поджатие подкладок к свариваемым кромкам. Остающиеся подкладки не всегда технологичны, так как увеличивают расход металла. Если допустима выпуклость обратной стороны, то допускается подварка корня шва.

Основными параметрами нормального режима сварки являются величина и полярность тока, диаметр электрода, скорость сварки и напряжение на дуге. Существуют и дополнительные параметры: толщина покрытия электрода и его состав, положение электрода и положение изделия. Сварочный ток выбирают, ориентируясь на марку и диаметр электрода, учитывая при этом положение шва в пространстве, вид соединения, а также толщину свариваемого изделия. При этом сила тока должна быть максимально возможной. Чем больше ток, тем выше производительность труда и больше наплавляется металла. Увеличение силы тока влияет также на глубину провара.

Полярность тока и его вид (постоянный или переменный) оказывают влияние на размеры шва и его форму. Если сварка ведется при постоянном токе, имеющем обратную полярность, то глубина провара на 50% больше, чем при постоянном токе прямой полярности. Это объясняется тем, что на аноде и катоде выделяется разное количество теплоты. Глубина провара при сварке переменным током на 15% меньше той, которая получается при сварке постоянным током прямой полярности. На диаметр электрода влияют толщина свариваемого металла, вид соединения и форма подготовленных кромок под сварку. Если ведется сварка стыков металла, толщина которых достигает 4 мм, то используются электроды того же диаметра, что и толщина кромок.

Особенности сварки различных материалов

Сварка низкоуглеродистых сталей.
Хорошо свариваются низкоуглеродистые стали, содержащие до 0,25% углерода. Дуговую сварку металла толщиной 2 мм обычно ведут на постоянном токе обратной полярности.

Сварка углеродистых сталей.
Сварка таких марок сталей часто чревата образованием трещин, как в основном, так и в наплавленном металле. Чтобы получить качественное соединение, необходимо соблюдать следующие соотношения между диаметром электрода и значением сварочного тока (см. табл. 1).

Табл. 1. Соотношения между диаметром электрода и значением сварочного тока

При толщине свариваемого металла менее 2 мм (тонколистовая сталь) применение ручной дуговой сварки часто вызывает образование прожогов. Чтобы избежать этого, следует выполнить следующие рекомендации:

• при сварке швов применять электроды малого диаметра (1,6-2 мм);
• сила тока должна быть минимальной – 50-70 А;
• для обеспечения устойчивого горения дуги необходимо подключать осциллятор;
• для исключения образования прожогов применять отбортовки кромок свариваемых листов.

Сварку листов, имеющих разную толщину, рекомендуется делать посредством плавного перехода от более толстого металла к тонкому, применяя осциллятор. Особые требования необходимо выполнять при сварке цветных металлов.

Сварка меди осложняется наличием в ней примесей, большой теплопроводностью и способностью сильно окисляться в расплавленном состоянии. Кроме того, медь в расплавленном состоянии поглощает водород. Внутри свариваемого участка образуются пузырьки водорода, которые являются причиной возникновения большого количества микротрещин. Такое явление называется водородной болезнью меди. Предупреждает образование этого дефекта снижение количества водорода в зоне сварки путем прокалки электродов и флюсов и применения защитных газов.

Для малоответственных изделий применяется ручная сварка угольным электродом. Сварка ведется электродами, заточенными на конус на 1/3 его длины, постоянным током прямой полярности при плотности тока на электроде, равной 200-400 А/см2. Рекомендуется вести сварку длинной дугой и не погружать присадочный материал в ванну, а держать под углом 30° к изделию на расстоянии 6 мм от свариваемого изделия. Выделяемый в процессе сварки углекислый газ является недостаточной защитой металла от окисления. В качестве защиты хорошо зарекомендовал себя присадочный материал с раскислителем – фосфором, или флюс, состоящий из 94% прокаленной буры и 4-6% металлического магния. При сварке используют графитовые или асбестовые подкладки. Зазор между кромками должен составлять 0,5 мм; электрод следует держать под углом 10-20° к вертикали. Во избежание снижения механических свойств сварка стыковых швов ведется в один слой и с одной стороны. При толщине медных заготовок до 4 мм сварка ведется без раздела кромок и подогрева.

Различные виды бронзы отличаются друг от друга по свариваемости, поэтому существуют различные технологии сварки бронзы. Химический состав свариваемого металла должен быть сходным с составом присадочного материала. Сварку выполняют постоянным током обратной полярности, двигаясь короткими отрезками.

При сварке латуни применяют электроды марки ЗТ. Температура плавления латуни – 800-1000 °С. Сварка ведется постоянным током обратной полярности, короткой дугой. Шов после сварки подвергается проковке и отжигу при температуре 600-660 °С: это необходимо для выравнивания химического состава и придания шву мелкозернистой структуры.

Благодаря своей высокой коррозионной стойкости, жаропрочности и жаростойкости никель и его сплавы являются важнейшими конструкционными материалами, которые используются в разных отраслях промышленности. Никель и его сплавы можно сваривать дуговой, газовой и другими видами сварок. Обычно сварка ведется без разделки кромок.

Зазоры под сварку не должны превышать 1-1,5 мм. Кромки перед сваркой зачищают до металлического блеска и обезжиривают ацетоном или авиационным бензином. Так как никель и его сплавы имеют высокое электрическое сопротивление, при сварке вылет проволоки следует уменьшать в 1,5-2 раза по сравнению с вылетом электрода при сварке сталей. Основные трудности при сварке никеля и его сплавов – высокая склонность к образованию пор и кристаллизационных трещин. Это связано с переходом металла из твердого в жидкое состояние, в результате которого образуются нерастворимые продукты, способствующие образованию пор в металле шва. Техника сварки должна предусматривать надежную защиту зоны сварки от атмосферного воздуха и хорошее раскисление варочной ванны. Одной из эффективных мер является сварка короткой дугой (до 1,5 мм), при которой резко уменьшается подсос газов из атмосферы. Чтобы предупредить образование пор по линии сплавления, необходимо перед сваркой предварительно подогревать металл до температуры 250-300 °С с последующим охлаждением на воздухе. При толщине листов свыше 1,5 мм применяют электроды с основным покрытием на постоянном токе обратной полярности. Для того чтобы снизить напряжение в сварном соединении и предупредить перегрев электрода, используют пониженный ток (по сравнению с током, применяемым для сварки стали). Сварка выполняется за один проход.

Если предпочтительна полуавтоматическая сварка, то ее ведут плавящимся электродом в среде защитных газов на постоянном токе обратной полярности. В качестве защитной среды служит аргон и гелий. Повышает качество швов введение в аргон до 20% водорода. Сварку ведут стандартными полуавтоматами с горелкой, которую наклоняют на 10-15° от вертикали. Чтобы в шве не образовывались поры, рекомендуется применять сварочную проволоку, легированную до 3% титаном или с добавками редкоземельных элементов. Сварка свинца. Так как свинец имеет большую плотность и существует вероятность провалов ванны, рекомендуется применять передвижные формирующие пластины-прокладки. Кромки изделий перед сваркой протирают бензином или четыреххлористым углеродом и зачищают шабером до металлического блеска на ширину 20-25 мм. Заготовки толщиной до 2 мм сваривают с отбортовкой кромок высотой, равной толщине свариваемого металла.

Сварка свинца проводится угольным электродом, в среде инертных газов – плавящимся и неплавящимся электродами, а также ацетилено-кислородной сваркой. Сварка угольными электродами выполняется на постоянном токе прямой полярности. Во время сварки электроды располагаются перпендикулярно или с наклоном на 10-15° от вертикали в сторону движения сварки.

Независимо от способа сварки изделия из сплавов на основе алюминия должны проходить специальную подготовку. Поверхности обезжиривают и удаляют с них пленку оксида алюминия. Точно так же подготавливают присадочную проволоку и электродные стержни перед нанесением на них покрытия. Обезжиривание проводят с помощью растворителей, например, авиационного бензина или технического ацетона. Следующий этап – механическая зачистка или химическое травление, которое удаляет оксидную пленку. Обезжиривание и травление проводят не более чем за 2-4 ч до сварки.

Для неответственных изделий применяется ручная сварка угольным электродом на постоянном токе прямой полярности. Если металл имеет толщину до 2 мм, то сварку ведут без присадки и без разделки кромок; при толщине металла свыше 2 мм сварку выполняют с зазором, равным 0,5-0,7 толщины свариваемых листов или с разделкой кромок Ручную сварку покрытыми электродами выполняют при изготовлении конструкций из технического алюминия, сплавов АМц и АМг и силумина. Скорость сварки алюминия должна быть выше, чем скорость сварки стали. Она ведется непрерывно в пределах одного электрода в связи с тем, что пленка шлака на кратере в конце электрода препятствует повторному зажиганию дуги.

Сварочный ток принимается из расчета не более 60 А на 1 мм диаметра электрода – это обеспечит устойчивость процесса и минимальные потери при разбрызгивании. Электроды предварительно просушивают при температуре 150-200 °С в течение 2 часов. При ручной аргоннодуговой сварке применяют неплавящиеся вольфрамовые электроды в осушенном от влаги аргоне высшего сорта на переменном токе. Если толщина свариваемого металла равна 5-6 мм, то применяются электроды диаметром 1,5-5 мм.

Техника сварки имеет здесь свои особенности. Между электродом и присадочной проволокой должен выдерживаться угол примерно в 85-90°. При подаче присадки используют возвратно-поступательные движения. Эффективная защита достигается оптимальным расходом газа.

Использование этих рекомендаций гарантирует получение сварного соединения высокого качества и обеспечивает соответствие металла шва и основного металла нормативно-технической документации.

Сучков Г.М.