Технология газовой сварки

Газопламенная обработка металлов - это ряд технологических процессов, связанных с обработкой металлов высокотемпературным газовым пламенем. Наиболее широкое применение имеет газовая сварка и резка, которые, несмотря на более низкую производительность и качество сварных соединений по сравнению с электрическими способами сварки плавлением, продолжают сохранять свое значение при сварке тонколистовой стали, меди, латуни, чугуна. Преимущества газовой сварки и резки особенно проявляются при ремонтных и монтажных работах ввиду простоты процессов и мобильности оборудования. Кроме сварки и резки газовое пламя используется для наплавки, пайки, металлизации, поверхностной закалки, нагрева для последующей сварки другими способами или термической правки и т.д.

 

Распределение температуры по оси нормального газового пламени

Рис. 1 Распределение температуры по оси нормального газового пламени

 

Газовая сварка. Газовое пламя чаще всего образуется в результате сгорания (окисления) горючих газов технически чистым кислородом (чистота не ниже 98,5 %). При горении горючих газов с использованием воздуха температура газового пламени низкая (не выше 2000 °С), так как много теплоты расходуется на нагрев азота, содержащегося в воздухе. В качестве горючих газов используют ацетилен, водород, метан, пропан, пропанобутановую смесь, бензин, осветительный керосин.
Газовое сварочное ацетиленокислородное "нормальное" пламя имеет форму, схематически показанную на рис. 1. Во внутренней части ядра пламени У происходит подогрев газовой смеси, поступающей из сопла до температуры воспламенения. В наружной оболочке ядра происходит частичный распад ацетилена. Выделяющиеся частицы углерода раскалены, ярко светятся, четко выделяя очертания оболочки ядра (температура газов в ядре невелика и не превышает 1500 °С).
Зона 2 является наиболее важной частью сварочного пламени (сварочной зоной). В ней происходит первая стадия сгорания ацетилена за счет кислорода, поступающего в сопло из баллона, в результате чего здесь развивается максимальная температура.
Содержащиеся в сварочной зоне газы обладают восстановительными свойствами по отношению к оксидам многих металлов, в том числе и к оксидам железа. Поэтому ее можно назвать восстановительной. Содержание углерода в металле шва изменяется незначительно. В зоне 3 или факеле пламени протекает догорание газов за счет кислорода воздуха что отражает состав газов в факеле. Содержащиеся в факеле газы и продукты их диссоциации окисляют металлы, т.е. эта зона является окислительной. Вид ацетиленокислородного пламени зависит от соотношения в газовой смеси подаваемой в горелку кислорода и ацетилена называется коэф β.

Строение ацетиленокислородного пламени

Рис. 2 Строение ацетиленокислородного пламени:
а - окислительное; б - науглероживающее

При β = 1,1 ... 1,2 пламя нормальное (см. рис. 1). При увеличении этого соотношения (например β = 1,5), т.е.- относительном увеличении содержания кислорода (окислительное пламя), форма и строение пламени изменяются (рис. 2). При этом реакции окисления ускоряются, а ядро пламени бледнеет, укорачивается и приобретает коническую заостренную форму. В этом случае сварочная зона утрачивает восстановительные свойства и приобретает окислительный характер (содержание углерода в металле шва уменьшается, выжигается).
С уменьшением β (например, β = 0,5), т.е. при увеличении содержания ацетилена в газовой смеси реакции окисления замедляются. Ядро удлиняется и его очертания становятся размытыми. Количество свободного углерода увеличивается, частицы его появляются в сварочной зоне. При большом избытке ацетилена частицы углерода появляются и в факеле пламени. В этом случае сварочная зона становится науглероживающей, т.е. содержание углерода в металле шва повышается.
Пламя заменителей ацетилена принципиально подобно ацетиленокислородному и имеет три зоны. В отличие от углеводородных газов во-дородно-кислородное пламя светящегося ядра не имеет (нет светящихся частиц углерода).
Одним из важнейших параметров, определяющих тепловые, а значит и технологические свойства пламени, является его температура. Она различна в различных его участках как по длине вдоль его оси (см. рис. 1), так и в поперечном сечении. Она зависит от состава газовой смеси и степени чистоты применяемых газов. Наивысшая температура наблюдается по оси пламени, достигая максимума в сварочной зоне на расстоянии 2 ... 3 мм от конца ядра. Эта сварочная зона является основной для расплавления металла. С увеличением (3 максимальная температура возрастает и смещается к мундштуку горелки. Это объясняется увеличением скорости горения смеси при избытке кислорода. При избытке ацетилена (β менее 1) наоборот, максимум температуры удаляется от мундштука и уменьшается по величине.
Горючие газы-заменители ацетилена, дешевле и недефицитны. Однако их теплотворная способность ниже, чем у ацетилена. Максимальные температуры пламени также значительно ниже. Поэтому их используют в ограниченных объемах в технологических процессах, не требующих высокотемпературного пламени (сварка алюминия, магния и их сплавов, свинца, пайка, сварка тонколистовой стали, газовая резка и т.д.). Например, при использовании пропана и пропанобутановых смесей максимальная температура в пламени 2400 ... 2500 °С. Их используют при сварке стали, толщиной до 6 мм, сварке чугуна, некоторых цветных металлов и сплавов, наплавке, газовой резке и т.д.
При использовании водорода максимальная температура в пламени 2100 °С.
Нагрев металла пламенем обусловлен лучистым, и в основном конвективным теплообменом между потоком горячих газов и соприкасающейся с ним поверхностью металла. При вертикальном положении от пламени ее растекающийся поток образует на поверхности металла симметричное относительно центра пятно нагрева. При наклоне пламени пятно нагрева вытягивается по направлению оси и сужается с боков. Интенсивность нагрева впереди ядра выше, чем позади его.
Ввод тепла в изделие при газовой сварке происходит по большей площади пятна нагрева. Источник тепла менее сконцентрирован, чем при других способах сварки плавлением. В результате обширной площади разогрева основного металла околошовная зона (зона термического влияния) имеет большие размеры, что приводит к образованию повышенных деформаций сварных соединений (коробление).
При газовой сварке на металл сварочной ванны активно воздействует газовая фаза всего пламени и особенно сварочной зоны, содержащей, в основном, СО + Н2 и частично пары воды, а также СО2, Н2, О2 и N2 и некоторое количество свободного углерода. Состав газовой фазы определяется соотношением кислорода и горючего газа в газовой смеси, температурой пламени и различен в ее различных зонах. От этого зависят металлургические взаимодействия газовой фазы с металлом сварочной ванны. Основные реакции при сварке - это окисление и восстановление.
Направление реакции зависит от концентрации кислорода в газовой фазе (окислительное и науглероживающее пламя), температуры взаимодействия и свойств оксида. При сварке сталей основное взаимодействие газовой фазы происходит с железом, т.е. образование его оксидов или восстановление. Элементы, имеющие большее сродство к кислороду, чем железо (Al, Si, Mn, Cr и т.д.) могут интенсивно окисляться тогда, когда реакций окисления железа не проходит. Они легко окисляются не только в чистом виде, но и находясь в виде легирующих добавок, причем чем их содержание выше, тем окисление интенсивнее. Окисление таких элементов, как Al, Ti, Mg, Si и некоторых других вообще исключить не удается и для уменьшения их угара следует помимо регулирования состава газовой смеси использовать флюсы.
Ввиду относительно невысокого защитного и восстановительного действия пламени раскисление металла в сварочной ванне при сварке сталей достигается введением в нее марганца, кремния и других раскислителей через присадочную проволоку. Их действие основано на образовании жидкотекучих шлаков, способствующих самофлюсованию сварочной ванны. Образующиеся на поверхности сварочной ванны шлаки защищают расплавленный металл от кислорода, водорода и азота, газовой среды пламени и подсасываемого воздуха.
Содержащийся в пламени водород может растворяться в расплавленном металле сварочной ванны. При кристаллизации металла часть не успевшего выделиться водорода может образовать поры. Азот, попадающий в расплавленный металл из воздуха образует в нем нитриды. Структурные превращения в металле шва и околошовной зоне при газовой сварке имеют такой же характер, как и при других способах сварки плавлением. Однако вследствие медленного нагрева и охлаждения металл шва имеет более крупнокристаллическую структуру с равновесными неправильной формы зернами. В нем при сварке сталей с содержанием 0,15 ... 0,3 углерода при быстром охлаждении может образовываться видманштеттовая структура. Чем выше скорость охлаждения металла, тем мельче в нем зерно и тем выше механические свойства металла шва. Поэтому сварку следует производить с максимально возможной скоростью.
Зона термического влияния состоит из тех же характерных участков, как и при дуговой сварке. Однако ее ширина значительно больше (до 30 мм при сварке стали больших толщин) и зависит от режима газовой сварки.
В процессе сварки происходит расплавление основного и присадочного металлов. Регулирование степени их расплавления определяется мощностью горелки, толщиной металла и его теплофизическими свойствами.
Газовой сваркой выполняют сварные соединения различного типа. Металл толщиной до 2 мм соединяют встык без разделки кромок и без зазора или, что лучше, с отбортовкой кромок без присадочного металла.
Металл толщиной 2 ... 5 мм с присадочным металлом сваривают встык без разделки кромок с зазором между кромками. При сварке металла свыше 5 мм используется V- или Х-образная разделка кромок.
Тавровые и нахлесточные соединения допустимы только для металла толщиной до 3 мм. При большой толщине неравномерный разогрев приводит к существенным деформациям, остаточным напряжениям и возможности образования трещин. Свариваемые кромки зачищают от загрязнений на 30 ... 50 мм механическими способами или газовым пламенем. Перед сваркой детали сварного соединения закрепляются в сборочно-сварочном приспособлении или собираются с помощью коротких швов - прихваток.
Направление движения горелки и наклон ее к поверхности металла оказывает большое влияние на эффективность нагрева металла, производительность сварки и качество шва.
Различают два способа сварки: правый и левый (рис. 3). Внешний вид шва лучше при левом способе сварки, так как сварщик видит процесс образования шва. При толщине металла до 3 мм более производительным является левый способ сварки ввиду предварительного подогрева кромок. Однако при большой толщине металла при сварке с разделкой кромок угол скоса кромок при правом способе сварки на 10 ... 15° меньше, чем при левом. Угол наклона мундштука также может быть на 10 ... 15° меньше. В результате повышается производительность сварки. Тепловое воздействие пламени на металл зависит от угла наклона оси пламени к поверхности металла (рис. 4).

Правый (а) и левый (б) способы газовой сварки

Рис. 3. Правый (а) и левый (б) способы газовой сварки

Применяемые углы наклона горелки в зависимости от толщины металла

Рис. 4 Применяемые углы наклона горелки в зависимости от толщины металла

 

В процессе сварки горелке сообщаются колебательные движения и конец мундштука описывает зигзагообразный путь. Горелку сварщик держит в правой руке. При использовании присадочного металла присадочный пруток держится в левой руке. Присадочный пруток располагается под углом 45° к поверхности металла.
Оплавляемому концу присадочного прутка сообщают зигзагообразные колебания в направлении, противоположном движению мундштука (рис. 5). Газовая сварка может производиться в нижнем, вертикальном и потолочном положениях. При сварке вертикальных швов "на подъем" процесс удобнее вести левым способом, горизонтальных и потолочных -правым способом.

Движения горелки и проволоки

Рис. 5 Движения горелки и проволоки:
а - при сварке стали толщиной более 3 мм в нижнем положении;
б - при сварке угловых валиковых швов; 1 - движение проволоки;
2 - движение горелки; 3 - места задержек движения

При необходимости использования флюса он наносится на свариваемые кромки или вносится в сварочную ванну оплавляемым концом присадочного прутка (налипающим на него при погружении во флюс). Флюсы могут использоваться и в газообразном виде при подаче их в зону сварки с горючим газом.

Режимы газовой сварки с применением в качестве горючего газа ацетилена.

Тип горелки

Модель горелки

Номер наконеч

ника

Толщина свариваемой стали, мм

Давление на входе в горелку, МПа (кгс/см2)

Расход, л/час

ацетилен

кислород

ацетилен

кислород

Г1

ГС-1

000

До 0,1

0,01-0,10

(0,1-1,0)

0,01-0,10

(0,1-1,0)

5-10

6-11

00

Св. 0,1 до 0,2 вкл.

10-25

11-28

0

Св. 0,2 до 0,6 вкл.

25-60

28-65

Г2

Г2-02

0

Св. 0,2 до 0,5 вкл.

0,01-0,10

(0,1-1,0)

0,15-0,30

(1,5-3,0)

40-50

45-55

1

Св. 0,5 до 1,0 вкл.

65-90

70-100

2

Св. 1,0 до 2,0 вкл.

0,2-0,3

(2,0-3,0)

130-180

140-200

3

Св. 2,0 до 4,0 вкл.

420-600

450-650

Г3

Г3-02

1

Св. 0,5 до 1,0 вкл

0,15-0,30

(1,5-3,0)

65-90

70-100

2

Св. 1,0 до 2,0 вкл

130-180

140-200

3

Св. 2,0 до 4,0 вкл

0,20-0,30

(2,0-3,0)

250-350

270-380

4

Св. 4,0 до 7,0 вкл

420-600

450-650

5

Св. 7,0 до 11,0 вкл

700-950

750-1000

6

Св. 11,0 до 17,0 вкл

0,01-0,10

(0,1-1,0)

0,20-0,35

(2,0-3,5)

1130-1500

1200-1650

7

Св. 17,0 до 30,0 вкл

1800-2500

2000-2800

Г4

ГС-4

8

Св. 30,0 до 50,0 вкл

0,03-0,10

(0,3-1,0)

0,25-0,50

(2,5-5,0)

2500-4500

3000-5600

9

Св. 50,0

4500-7000

4700-9300

Газовая сварка меди. Первое, что надо помнить - медь сильно окисляется. Образующийся оксид снижает пластичность и механическую прочность сварного шва. Помимо всего, появляются мелкие трещины в расплавленном металле «водородная болезнь». Это и объясняет необходимость обязательного использования флюсов при работах с медью. Роль флюсов заключается в растворении образующихся оксидов. Оксиды трансформируются в легкоплавкие шлаки. А чтобы закиси меди не образовывались в металле шва, необходимы присадки (марганец, кремний). Для указанных целей рекомендуется и использование меди с пониженным содержанием кислорода (до 0,01%).Флюсы и присадочные металлы даны в таблицах.

Таблица 1. Флюсы для газовой сварки меди

номер флю- са

бура прокален- ная

борная кислота

калий фосфорно- кислый

кварцевый песок

древес- ный уголь

поварен- ная соль

углеки- слый калий

1

100

-

-

-

-

-

-

2

-

100

-

-

-

-

-

3

50

50

-

-

-

-

-

4

75

25

-

-

-

-

-

5

50

35

15

-

-

-

-

6

50

-

15

15

20

-

-

7

70

10

-

-

-

20

-

8

56

-

-

-

-

22

22

Таблица 2. Металлы присадочные

Назначение

Марка меди

Состав

Для ответственных конструкций небольшой толщины

М-1

Медь чистая электролитическая

Для ответственных конструкций

МСр-1

Медь с 0,8 - 1,2% серебра

Тоже

МНЖ-5-1

Медь с раскислителем - 0,2% фосфора

Тоже

МНЖКТ-5-1-0,2-0,2

Медь с раскислителем - 0,2% фосфора и 0,3% кремния, 0,2% марганца

Для слабонагруженных конструкций

М-0

Медь для раскислителей

ые трудности возникают при газовой сварке меди из-за ее уникальных теплофизических свойств. Медь обладает высокой теплоемкостью и теплопроводностью (в 6 - 7 раз выше, чем у стали), повышенным коэффициентом линейного расширения при нагревании (в 1,5 раза выше, чем у стали).

Эти свойства обусловливают большую, чем при сварке стали, зону термического влияния и приводят к появлению значительных тепловых деформаций, которое могут вызывать при охлаждении сварного шва значительные напряжения.

Некоторыми технологическими приемами можно устранить нежелательные последствия при сварке меди.

К примеру, сварку можно вести на увеличенных скоростях. Это уменьшит время соприкосновения пламени с жидким металлом. Для этого надо предварительно подогреть свариваемые кромки. Наконечник для сварки меди всегда будет на 1 - 2 номера больше, чем наконечник для сварки стали. Это общее правило, и его надо знать без обращения к специальным источникам. Разрушить оксидные прослойки после сварки можно путем проковки шва в горячем состоянии. Обычно медь сваривается в виде стыковых и угловых соединений. Сварка впритык (тавровое соединение) и сварка в кромку применяется только при ремонте. Внахлестку медь не сваривается. Медь сваривается только в один слой т.к. при накладывании второго слоя большая вероятность появления трещин. При сварке меди надо соблюдать технологическую последовательность операций. В противном случае полученный сварной шов не будет соответствовать предъявляемым требованиям.

Подготовка свариваемых деталей. Для этого надо зачистить как кромки свариваемых изделий (деталей), так и прилегающую к ним поверхность металла. Очищать можно как механическим, так и химическим путем. Затем надо собрать свариваемые детали, закрепить их (лучше всего в кондукторе) и сделать прихватки. Прихватки - это короткие швы (не более 5 мм) с интервалом между ними в 70 - 100 мм. Если свариваются детали, имеющие значительную толщину, то длина прихваток составит не менее 20 мм при интервале между ними в 400 - 500 мм.

Установка свариваемой детали (свариваемых деталей). Свариваемые детали надо располагать под углом 7 - 10° к горизонтальной плоскости, чтобы лучше заполнялись зазоры кромок (разделка кромок).

Установка режима сварки. Мощность горелки регулируется, исходя из следующего расчета 155 - 175 л/ч ацетилена на 1 мм свариваемой толщины (при толщине 3 - 4 мм). Если толщина больше, порядка 8 - 10 мм 175 - 225 л/ч на 1 мм толщины. Пламя должно быть нормальным, мягким.

Процесс сварки. Свариваемые кромки нагреваются, на них в виде пасты наносится флюс. Флюсом покрывается и присадочный пруток. Расплавить присадочный пруток, расположив его над местом сварки близко от сварочной ванны для уменьшения ее оксидирования. Установить горелку под углом наклона к свариваемому изделию 30 - 40°, присадочной проволоки 30 - 40°, расположить ядро пламени на расстоянии 6 - 10 мм от расплавленного металла и выполнить сварку восстановительной зоной пламени в один проход снизу вверх: левым способом при толщине листов до 5 мм, а при большей толщине - правым способом. Во время сварки периодически добавлять флюс непосредственно в зону сварки на кончике присадочной проволоки, непрерывно перемешивая жидкий металл присадкой, извлекая ее возможно реже из ванночки.

Завершение процесса сварки. После сварки шов проковать: при толщине листов до 4 мм - в холодном состоянии, при больших толщинах - при температуре до 500°С; принять меры предосторожности против резкого охлаждения сварного соединения под воздействием сквозняков или притока холодного воздуха. Очистить шов 2% раствором серной или азотной кислоты и промыть водой для удаления остатков флюса.

Сварка латуни. Латунь - это сплав меди с цинком (цинка может быть до 55%). Если речь идет о специальных латунях, то это означает, что в сплав включаются дополнительно различные легирующие добавки (свинец, никель, олово). Как и медь, латунь является трудносвариваемым сплавом. Основные трудности процесса - это выгорание цинка и поглощение газов расплавленным металлом. Последствия - образование пор и снижение механической прочности соединения. К тому же, сплав с содержанием цинка бо­лее 20% очень часто растрескивается после деформации в холодном состоянии. Чтобы добиться устранения этого, применяются особые технологические приемы приведенные в таблице3.

Таблица 3. Методы устранения дефектов

Дефект

Методы устранения

Результат

Образование трещин

Производить многослойную сварку методом ступенчатой и обратноступенчатой сварки. Легировать шов кремнием и бором применением соответствующих марок присадочного металла (ЛК62-0,5 и ЛКБО) Подвергать сварное соединение после сварки низкотемпературному отжигу при температуре 270 - 300°С

Уменьшение горячеломкости латуни

Уменьшение горячеломкости латуни в интервале температур 200 - 600°С

Снятие остаточных напряжений, возникающих при изготовлении сварных конструкций

Предохранение латуни от коррозионного растекания

Выгорание цинка

Использовать присадочные проволоки типов ЛК и ЛКБО, содержащие добавки кремния и бора.

Выполнять сварку левым способом.

Вести сварку окислительным пламенем с соотношением кислорода к ацетилену 1,3 - 1,4.

Применять специальные флюсы на основе бористых соединений с добавками кремния, алюминия, олова и т.д.

Нагревать металл не ядром пламени, а с расположением его на расстоянии 7 - 10 мм от сварочной ванны

На поверхности сварочной ванны образуется пленка шлакового покрова, которая затрудняет испарение цинка, но не является препятствием для выделения газов из расплава Уменьшается перегрев металла шва, а следовательно, и испарение цинка, так как пламя не направлено на сваренную часть шва На поверхности расплавленного металла образуется пленка оксидов, которая уменьшает угар цинка

На поверхности жидкой ванны образуется защитная пленка, предохраняющая металл от испарения цинка Уменьшается перегрев жидкого металла и испарение из него цинка

Образование пор

Применять присадочные металлы и флюсы на основе бористых соединений Производить сварку окислительным пламенем.

На поверхности расплавленного металла образуется шлаковый покров, который не является препятствием для выделения водорода и других газов из расплава при кристаллизации шва Избыточный кислород связывает свободный водород пламени и способствует уплотнению металла шва

Обработка сварных соединений из латуни после сварки производится так же, как при сварке меди. Однако в отличие от меди, температура проковки латуни зависит не от толщины свариваемой детали, а от содержания цинка в основном металле. Холодную проковку латуней алюминиевым молотком или пневмомолотком применяют для латуней, содержащих менее 40% цинка.

Латуни, содержащие более 40% цинка, подвергают проковке при температуре 650°С, что соответствует нагреву металла до темнокрасного цвета.

Не следует забывать, что пары цинка, содержащиеся в латуни, ядовиты и это требует принятия мер для защиты органов дыхания. Лучше всего применять респиратор или постараться обеспечить бездымный технологический процесс. При сварке латуни применяются порошкообразные флюсы:

флюс № 1 состоит исключительно из прокаленной буры;

флюс № 3 состоит из 80% борной кислоты и 20% прокаленной буры;

флюс № 200 состоит из 70% борной кислоты, 21% прокаленной буры и 9% фтористого кальция.

Сварка бронзы. Бронза - это сплав меди с оловом (оловянные бронзы) алюминием (алюминиевые бронзы), кремнием (кремнистые бронзы) и т.д. В состав бронзы могут входить и другие элементы.

Процесс газовой сварки применим преимущественно для оловянной бронзы, алюминиевые и кремнистые бронзы свариваются в основном дуговой или аргонодуговой сваркой.

Есть необходимость подробнее остановиться на су­ществующих марках различных бронз и изложить в таблице 4 способы их сварки.

Таблице 4. Марка и применение различных бронз

Группа

Марка

Применение

Способы сварки

Оловянные бронзы с содержанием олова до 20%

БрОЦ8-4 БрОЩО-2 БрОЦС6-6-3

Фасонное литье и арматура

Газовая сварка

Алюминиевые бронзы. Состав - алюминий до 10%, легированный марганцем, железом, никелем

БрАШ 0-3-7-5 БрАЖЭ-4 БрАЖН-10-4-4 БрАЖН-11-6-6

Фасонное литье и арматура

Из-за пониженной свариваемости сварку лучше вести угольным электродом. Газовая сварка применяется редко

Кремнистые бронзы, кремнемарганцовистые, бронзы легированные кремнием и марганцем, с добавкой железа, никеля и др

БрКМцЗ-1

Применяются в химической и пищевой промышленности (возможно применение и в других отраслях)

Хорошая свариваемость. Хо­рошо соединяются дуговой сваркой. Газовая сварка применяется крайне редко

Первое, что нужно сделать, готовясь к сварке - это очистить поверхность от окалины, от остатков формовочной смеси (если таковые имеются), других отложений. Зачистку надо проводить металлической щеткой до появления блеска металла. Затем следует этап разделки кромок V-образного профиля под 70 - 90°. После этого, учитывая вредность испарений оловянных бронз, закрепить соединяемые детали в зоне действия вытяжной вентиляции в нижнем положении, т.к. бронза обладает большой текучестью в расплавленном состоянии. Под будущий шов необходимо подвести подкладки из графита или асбеста. Сварку производить лучше всего ацетиленом, но можно применить и газы заменители (бутан, пропан). На горелке отрегулировать мягкое нормальное пламя из расчета 70 - 120 литров в час на 1 мм свариваемой толщины. На кромки деталей и на присадочный металл нанести флюс. Флюсы используются те же, что и при сварке меди. Если металл холодный, подогреть его до температуры 250 - 300°С. Затем расположить мундштук горелки под прямым углом к поверхности металла и расплавить соединяемые кромки и присадочный материал. Ядро пламени горелки должно находиться на расстоянии 7 - 10 мм от уровня расплавленного металла (сварочной ванны). Это необходимо для того, чтобы сварочная ванна не перегрелась и не началось выгорание олова. Хорошо перемешивать сварочную ванну присадочным прутком и периодически добавлять в жидкий металл флюс, который будет удалять образующиеся окислы. В качестве присадочного материала при сварке оловянных бронз надо использовать проволоку БрОФб,5-0,4 или БрОЦ4-3 с добавкой фосфора. Так же можно использовать бронзовые полоски, но только обязательно той же марки, что и свариваемый металл.

По окончании сварочных работ произвести термообработку детали (изделия) и удалить остатки флюса путем промывки шва 2% раствором серной или азотной кислоты.

Сварка алюминия и его сплавов. Газовая сварка алюминия процесс проблемный из-за того, что на расплавленном участке сразу образуется тугоплавкая пленка оксида алюминия. Для устранения этого явления используется присадочная проволока со специальными флюсами, которые растворяют пленку, преобразуя ее в шлак.

Алюминиевые сплавы делятся на две группы: деформируемые и литейные.

Наиболее распространенные деформируемые сплавы - это сплавы алюминия с марганцем (АМц) и магнием (АМг), а также термоупрочняемые сплавы с медью типов Д1 и Д6 (дюралюминий). Из литейных сплавов чаще всего применяются различные виды силумина (сплава алюминия с кремнием) типов Ал2. Ал4 и Ал9.

В последние годы сварка деформируемых алюминиевых сплавов производится преимущественно дуговыми методами и, в частности, аргонодуговой сваркой. Газовая сварка используется при отсутствии такой возможности.

Литейные алюминиевые сплавы хорошо поддаются газовой сварке и этот метод, наравне с аргонодуговой сваркой, широко применяется при заварке дефектов литья и при ремонте.

Еще одна особенность, которую проявляют алюминиевые сплавы при сварке - это наличие высокого коэффициента линейного расширения (почти в два раза больше, чем у низкоуглеродистой стали). Следствием является то, что возникающие при сварке напряжения и деформации при сочетаний с чрезмерно быстрым охлаждением ведут к появлению трещин. Поэтому всякое отклонение от правильного режима сварки и охлаждения может привести к браку всего изделия. Правильный режим охлаждения заключается в следующих операциях:

Укрыть отливку асбестом или засыпать песком и обеспечить после сварки медленное охлаждение, не оставляя ее на сквозняке или в холодном помещении. Произвести проковку отливки, совмещая ее с отжигом при температуре 300 - 350°С и с выдержкой в печи в течение 2 - 5 ч для снятия остаточных напряжений и улучшения механических свойств сварного соединения

При сварке алюминиевых сплавов необходимо учитывать их склонность к порообразованию из-за растворения водорода, содержащегося в пламени. Для уменьшения вероятности возникновения пористости необходимо уменьшить скорость сварки и использовать предварительный подогрев свариваемых деталей.

При газовой сварке алюминия и его сплавов чаще всего применяют ацетилен, но может быть применен и водород (для толщин до 1,2 мм), пропанбутан (для толщин до 3 мм) и другие газы-заменители.

Сварка должна производиться мягким (при давлении кислорода 0,15 - 0,2 МПа), нормальным пламенем. Использование пламени с избытком ацетилена приводит к увеличению пористости сварного соединения, а применение окислительного пламени недопустимо, так как оно благоприятствует образованию оксида алюминия.

Основной вид соединений алюминия и его сплавов при газовой сварке - стыковой. Разделка кромок может быть самая различная. Нахлесточные и тавровые соединения не рекомендуются, т.к. из них трудно устранять флюсы и шлаки.
Если свариваются пластины, то начало сварки надо производить, отступив от края на 80 мм. Сварочный процесс при этом вести обратноступенчатым методом. Это значит, что пропущенный участок надо сваривать в обратном направлении.

Если деталь достигает толщины 10 мм и более, надо прогреть ее перед сваркой до температуры 300°С.

Таблица 5. Режимы сварки сплавов алюминия

Способ сварки

Толщина детали

Номер наконеч­ника горелки

Диаметр присадоч­ной про­волоки

Давление кислорода (МПа)

Расход ацетилена (литр в час)

Правый

5,0-10,0

3-5

4,0-6,0

0,25-0,3

400-700

-»-

10,0-15,0

3-6

5,0-8,0

0,3-0,35

700-1200

-»-

15,0-25,0

5-6

5,0-8,0

0,35-0,4

900-1200

-»-

более 25,0

5-6

8,0-10,0

0,4-0,6

900-1200

Левый

до 1,5

0-1

1,5-2,5

0,15

50-100

—»-

1,5-3,0

1-2

2,5-3,0

0,2

100-200

-»-

3,0-5,0

2_з

3,0-4,0

0,2

200-400

Таблица 6. Присадочные материалы

Свариваемые материалы

Основное назначение присадки

Марка присадки

При сочетании сплавов АМц и АМг3, а также сплавов АМг3 с алюми­нием А13

Для сварки деформиру­емых сплавов

Св-АмгЗ

Чистый алюминий типов A1, A2, A3

Для сварки чистого алюминия

Св-АГ

Чистый алюминий типов A1, A2, A3

Тоже

Св-АВОО

Деформируемые сплавы системы

Для сварки деформиру­емых сплавов

Св-АМг5

Тоже

Тоже

Св-АМг6

Тоже

Тоже

Св-АМг7 Св-АКЗ

Литейные алюминиевые сплавы системы

Для сварки литейных сплавов

Св-АК5

Тоже

Тоже

Св-АКЮ СВ-АК12

Таблица 7. Степень свариваемости газом алюминия и его сплавов

Груши

Марка

Характеристика свариваемости

Литейные сплавы

Алюминиево-кремнистые (типа силумин) с содержанием от 4 до 13% кремния

Ал2

Ал4

Ал9

Удовлетворительная

Удовлетворительная

Удовлетворительная

Деформируемые сплавы

Алюминиево-марганцевые с содержанием от 1 до 1,6 % марганца

АМц

Хорошая

Алюминиево-магниевые с содержанием от 2 до 6% магния

AMг1

АМг3

АМг5

АМг6

Удовлетворительная Хорошая Удовлетворительная Удовлетворительная

Алюминиево-медные (типа дюралюмина)

Д1

Д6

Плохая

Плохая

Термоупрочняемые сплавы

АВ

АК

В95

Плохая

Плохая

Плохая

Газовая сварка чугуна. Чугуны в зависимости от их структуры различаются на три вида - белые, серые и ковкие. Все три вида в свою очередь делятся на легированные и нелегированные.

Белый чугун. Газосварочные работы с ним осуществляются только в части исправления брака литья, наплавки, наварки. Сам по себе белый чугун очень твердый металл, практически не обрабатываемый в машиностроении. Белый чугун - трудносвариваемый металл, очень жидкотекуч при сварке. Излом у него светлосерый.

Серый чугун. Применяется как конструкционный металл. Степень свариваемости может быть как хорошей, так и плохой, в зависимости от его структуры. Есть простая практика определения свариваемости чугуна. Если излом у серого чугуна черный - свариваемость плохая. Излом крупнозернистый, с крупными включениями графита - ограниченная свариваемость. При светло-сером изломе свариваемость будет хорошей.

Ковкий чугун. Наиболее применим в промышленности по причине хорошей обрабатываемости. Сам по себе ковкий чугун - это результат переработки белого чугуна. Суть этой переработки в том, что белый чугун подвергается медленному нагреву (томлению) в течение нескольких суток при температуре 900 - 1000°С. Затем такими же медленными темпами происходит охлаждение.

Все три вида чугуна для конкретных целей могут быть легированы различными добавками для повышения их прочности и улучшения технологичности.

Переходя к вопросу газовой сварки чугунных изделий, сразу оговоримся, что основной объем сварочных работ - это ремонт поврежденных или изношенных деталей или же исправление брака литья, обработки термической или механической.

Способов сварки чугуна достаточно много. Прежде всего, сварка может проводиться как с расплавлением основного металла, так и без этого. В свою очередь, сварка с расплавлением металла делится на холодную и горячую сварку. А сварка без расплавления основного металла предполагает пайкосварку с чугунным присадочным материалом и латунным припоем.

Горячая сварка чугуна. При горячей сварке обязателен предварительный подогрев свариваемых деталей. Детали при нагреве должны находиться в жестком закрепленном каркасе, что позволит устранить возникающие при нагреве напряжения, которые впоследствии, при сварке, могут привести к образованию трещин. Если нагрев носит местный характер, то жесткий каркас можно не применять. Крупные детали нагреваются до температуры 500 - 700°С, а небольшие до 300 - 400°С. Каким способом нагреть деталь, сварщик решает в зависимости от имеющихся условий. Конечно, лучше всего осуществить нагрев установками индукционного нагрева с применением токов промышленной частоты. Но чаще всего нагрев осуществляется пламенными горелками, паяльными лампами и, конечно же, горелками индукционного типа ЛГК-15 и ЛГК-25.

При горячей сварке чугуна обязательно применение флюсов. Попадая в сварочную ванну, они предотвращают окисление кромок твердого металла, извлекают оксиды и неметаллические включения из расплавленного металла, а также способствуют образованию пленки, защищающей его от воздействия газов пламени и воздуха. Положительное влияние флюсов сказывается также в улучшении смачивания поверхности твердого металла жидким присадочным металлом.

Кроме того, при сварке чугуна можно применять газообразный флюс БМ-1, который представляет собой смесь метилбората (70 - 75%) с метанолом (25 - 30%). Эта смесь в виде жидкости заливается в специальный флюсосмеситель типа КГФ-3, через который пропускается горячий газ для сварки. Поскольку флюс легко испаряется, пары его извлекаются горючим газом и подаются с ним по рукаву в горелку, где они сгорают в пламени. Процесс с использованием газообразного флюса называется газофлюсовой сваркой. Флюс БМ-1 обеспечивает получение густого, вязкого шлакового покрова на поверхности сварочной ванны.

Холодная сварка чугуна. Холодная сварка не потребует предварительного нагрева деталей. Применима она в тех случаях, когда детали имеют возможность свободно расширяться без возникновения внутренних напряжений при нагревании и охлаждении. Подготовку кромок можно выполнить как механическим, так и термическим способом (расплавить кромки вдоль шва). При термическом способе жидкий чугун должен быстро удаляться присадочным прутком и тут же на кромки наносится флюс. Пламя, расплавляя кромки, удаляет жиры, которые могут глубоко проникнуть в пористый чугун. Сама газовая сварка осуществляется ацетиленокислородным пламенем. Горелки, которые используются при этом - универсальные Г2 и ГЗ (или их прототипы). Если применяются газы-заменители ацетилена, то используются уже специальные горелки ГЗУ. Можно использовать и горелки Г2 и ГЗ, но они должны быть обязательно укомплектованы наконечниками, которые на один номер больше, чем те, которые использовались при ацетиленокислородной сварке.
Сама сварка производится нормальным пламенем или пламенем с небольшим избытком ацетилена. Если ацетилена будет много, это приведет к образованию пор. Если же процесс сварки будет вестись медленно и пламя при этом будет окисляющим, то в шве будет большое количество оксидов и шлаковых включений.

Присадочным материалом будет служить чугунный пруток длиной от 400 до 700 мм. Мощность пламени и диаметр присадочного прутка выбирают с учетом толщины свариваемой детали. Есть определенная зависимость диаметра присадочного прутка, номера наконечника горелки и площади дефекта, которая сведена в таблице 8:

Таблица 8. Подбор расходных материалов

Диаметр прутка (в мм2)

Площадь дефекта (в см2)

Номер наконечника

6

5

5

6-8

5-20

6

8-10

20-30

6

12

больше 30

7

Таблица 9. Флюсы, которые применяются при сварке (холодной, горячей) чугуна

56 прокаленной буры, 22 углекислого натрия, 22 углекислого калия

Номер флюса

Содержание флюса (в %)

1

100 плавленой буры

2

100 прокаленной буры

3

100 технической буры

4

5

50 технической буры, 50 двууглекислого натрия

6

23 плавленой буры, 27 углекислого натрия, 50 натриевой селитры

7

50 прокаленной буры, 50 натриевой селитры, 4 керосина (сверх 100)

Таблица 10. Чугунные присадочные прутки для газовой сварки

Свариваемые детали

Наплавленный металл (структура)

Марка прутков

Состав прутков

Детали сложного профиля с тонкими стенками

Ферритная структура

Б

Кремний до 4 - 5% при невысоком содержании углерода

Крупногабаритные отливки (предварительно подогретые)

- » -

А

Кремний 3 - 3,5% при невысоком содержании углерода

- » -

Перлитная структура большой плотности

I (з-д "Станколит")

Кремний 4 - 5%, невысокое содержание углерода, легирование хромом (0,10%), никелем (0,10%), титаном (0,10%), оловом (0,3 -0,5%)

Детали сложного профиля с тонкими стенками (при наличии местного подогрева)

Перлитная структура большой плотности

I (з-д "Станколит")

То же, но с легированием

Последовательность технологических операций при проведении горячей сварки чугуна.

Отчистка поверхности пламенем горелки или металлическим скребком (щеткой). Кромки надо разделать под углом 70°

Подогрев детали. Мало- и среднегабаритные детали надо подогревать до температуры 300 - 400°С, а крупногабаритные до 500 - 600°С (до появления коричнево-красного цвета).

Установка детали. Установить деталь в зоне действия вытяжной вентиляции с расположением дефекта в нижнем положении и горизонтальной плоскости (продолжительность перерыва между окончанием подогрева и началом сварки для небольших отливок несложной конфигурации не должна превышать 3 - 5 мин во избежание охлаждения детали ниже 400°С).

Нагрев и обработка поверхности. Отрегулировать нормальное пламя удельной мощности 100 - 120 л/ч на 1 мм толщины металла и восстановительной ее частью (на расстоянии 2 - 3 мм от ядра), равномерно прогреть кромки дефекта до расплавления с одновременным нанесением флюса и равномерным распределением его по поверхности дефекта с помощью присадочного прутка.

Заполнение места сварки присадочным металлом. Расплавить пруток наиболее горячей частью пламени (ближе к ядру) и заполнить дефект (трещину, ржавчину) расплавленным присадочным металлом, добавляя периодически флюс на кончике прутка. Вести сварку ванным способом (отдельными сварочными ваннами длиной 20 - 50 мм каждая) с поддержанием металла в жидком состоянии до полного заполнения дефекта присадочным металлом; при заварке краевых дефектов поддерживать ванну в полужидком состоянии (для исключения стекания металла) за счет периодического отведения пламени от места дефекта для охлаждения ванны и изменения угла наклона горелки к поверхности изделия с 80 до 10°. Удалять неметаллические включения из ванны в процессе сварки с помощью флюсования жидкого металла и интенсивного его перемешивания присадочным прутком.

Окончание процесса сварки. Сначала надо медленно отвести горелку от поверхности ванны на 50 - 60 мм и наплавленный металл подогреть пламенем в течение 0,5 -1,5 мин, накрыть деталь листовым асбестом для замедленного охлаждения металла шва и обеспечения свойств сварного соединения, равноценных со свойствами основного металла.

Последним следует этап термообработки. Детали нагреваются, мелкие до 300 - 400°С, крупные до 500 - 600°С с последующим медленным охлаждением.

 

Последовательность технологических операций при проведении низкотемпературной пайкосварки чугуна.Подготовка места наплавки и прилегающей поверхности (очищаются от грязи, оксидов, других загрязнений). Очистка производится пламенем горелки и металлической щеткой.

Разделка будущего места наплавки (зубило, сверло, фре­за, другие механические способы обработки поверхно­сти). Схематично разделка дефекта под пайкосварку изоб­ражена на рис.6.

 

Схема процесса низкотемпературной пайка-сварки чугуна чугунным присадочным материалом при исправлении дефектов

Рис.6. Схема процесса низкотемпературной пайка-сварки чугуна чугунным присадочным материалом при исправлении дефектов: а - с продольной разделкой; б - с дефектом типа раковин

 

 

Установка и нагрев детали. Сама деталь должна быть установлена в зоне действия вытяжной вентиляции с расположением дефекта в нижнем положении и горизонтальной плоскости. Нагреть поверхности разделочного дефекта и металл в зоне дефекта до 300 - 350°С. Нанести на поверхность дефекта флюс и нагреть его факелом пламени, а не ядром, во избежание выдувания. Горелку наклонить под углом 50 - 60°. На рис. представлена пайкосварка правым способом. Продолжить нагрев кромки дефекта до температуры 750 - 800°С при использовании прутков УНЧ-2 и флюса МАФ-1 или до 900 - 950°С при применении прутков НЧ-2 и флюса ФСЧ2. Одновременно нагреть конец прутка до оплавления и обмакнуть его во флюс. Равномерно распределить флюс на поверхности дефекта концом прутка. Расплавить конец прутка трением его о нагретую поверхность.

Заполнение места разделки расплавленным металлом. Для этого расплавить пруток наиболее горячей частью факела пламени (на 2 - 3 мм от ядра). Заполнить объем разделки каплями жидкого присадочного металла и ванным методом, перемещая горелку и пруток по винтовой восходящей линии или круговыми движениями, в зависимости от вида дефекта. Производить наплавку за один проход при толщине металла до 6 мм и в два прохода при толщине 8 - 12 мм. Периодически добавлять флюс в расплавленный металл и непрерывно перемешивать металл прутком, касаясь стенок дефекта.

 

Правый способ пайкосварки

 

Рис.7. Правый способ пайкосварки. 1 - движение горелки; 2 - движение прутка; 3 - движение горелки и прутка.

 

Правильное охлаждение места напайки (заварки). Заваренный участок медленно охлаждается под пламенем горелки в течение 1,5 - 3 мин. После этого, обеспечивая замедленное охлаждение, медленно отвести горелку. Очистить шов от остатков флюса и промыть его водой

 

Газовая сварка легированных сталей. Решая вопрос о применении газовой сварки для соединения легированных сталей, имеющих в своем составе молибден, хром, никель, титан и другие элементы, надо хорошо знать те особенности, которыми эти стали обладают. В принципе применимость газовой сварки определяется химическим составом каждого конкретного вида легированных сталей. По отно­шению к некоторым сталям газовая сварка не рекомендуется.

Высокохромистая сталь - в ней при продолжительном нагреве происходит рост зерен из-за высокого наличия в химическом составе хрома - более 15%. А так как газовая сварка предполагает длительное термическое воздействие (в отличие от дуговой сварки), то применение газовой сварки нежелательно вообще.
Хромистая сталь, как это и очевидно, имеет в своем составе меньше хрома, чем высокохромистая. Нежелательного роста зерен не будет, но эта сталь имеет ярко определенную тенденцию к закалке на воздухе, что неизбежно приведет к появлению трещин. Избежать этого можно, если замедлить остывание шва. Для этого, отводя горелку от шва при окончании работ, надо продолжать нагревать металл пламенем в радиусе 30 -40 мм от готового шва. Ввиду этого можно сделать вывод, что газовая сварка для хромистых сталей применима, но только при условии соблюдения правильного термического режима.

Хромоникелевая сталь. Сразу оговоримся, что газовая сварка этой стали с применением газов-заменителей ацетилена исключена. Сварка ацетиленом возможна, но только при условии применения специальных флюсов и если толщина металла не превышает 1 - 2 мм. Последующая термическая обработка шва обязательна. Но и при соблюдении всех перечисленных условий механические свойства шва, выполненного газовой сваркой, будут ниже, чем у основного металла. Если это неприемлемо, то сварку надо вести только электродами со специальными покрытиями.

Лучше всего сварку осуществлять аргонодуговым методом. Практика показала, что этот вид сварки дает самые качественные швы при соединении хромоникелевых сталей.

Молибденовая сталь (включая и хромомолибденовую) также, как и хромистые стали, имеет тенденцию к закалке на воздухе при температуре ниже 0°С. Поэтому газовую сварку можно вести только после того, как деталь подогрета до 250 - 300°С. Особенно это важно при сварке в условиях отрицательных температур и при толщинах металла более 10 мм. После газовой сварки обязательна термообработка с замедленным остыванием шва. При соблюдении всех перечисленных условий газовая сварка возможна.

Хромомолибденовая сталь. Противопоказаний по газовой сварке нет при соблюдении условий, изложенных в таблице для легированных сталей.

 

Газовая сварка углеродистых сталей. Применимость газовой сварки при работе с углеродистыми сталями определяется процентом наличия в них углерода. Чем меньше углерода, тем выше оценка свариваемости. Поэтому при работе с высокоуглеродистой сталью рекомендуется пайка или наплавка, а газовую сварку следует исключить.

Низкоуглеродистая сталь. Если предполагается работа с листами (деталями толщиной до 5 мм), то никаких осложнений не предвидится. Хороший результат будет получен без применения флюсов вообще. Рабочим газом при этом должен быть ацетиленокислород. После сварки рекомендуется проковка готового шва при температуре вишнево-красного каления. Далее сваренное изделие необходимо охлаждать в замедленном темпе. Чтобы исключить появление пористости, необходимо использо­вать присадочный материал, в котором процент содержания углерода меньше, чем в основном металле.

В случае, если предполагается сварка толщин более 5 мм, лучше применить дуговую сварку с применением плавящихся электродов, работающих в среде углекислого газа.

Если приходится использовать в качестве горючего газа пропан, бутан или природный газ, то надо быть готовым к тому, что качество шва будет ниже, чем в случае с ацетиленкислородом.

Среднеуглеродистая сталь. Так же, как хромистая и молибденовая стали, имеет тенденцию к закалке на воздухе. А это - угроза появления трещин. Послесварочная доводка шва включает в себя правильную термообработку, обеспечивающую замедленное охлаждение шва. Горючий газ, который обеспечивает выполнение качественного шва - ацетиленокислород. Применение газов-заменителей исключено. Но и ацетиленкислород при сварке сталей с содержанием углерода выше 0,4% не сможет гарантировать качественный шов. Качественный шов будет только в случае применения дуговой сварки.