Специальная часть 1. Раздел 1. Технология дуговой варки сварного соединения под слое флюса

1.1Сварку под флюсом выполняют электродом 2, который плавится, закрытой дугой 1, которая горит под слоем гранулированного флюса 3 в пространстве флюсогазовой полости 5, которая образуется в результате выделения испарений и газов в зоне дуги. Сверху сварочная дуга ограничена плёнкой расплавленных шлаков 6, снизу - сварочной ванной 7. В процессе сварки давление газов и испарений в полости возрастает. Наступает момент, когда плёнка расплавленных шлаков прорывается и излишек газов выделяется в окружающую атмосферу (процесс удаления газов периодически повторяется).

Схема сварка под флюсом

Дуга горит вблизи переднего края ванны, немного отклоняясь от вертикального положения в сторону, обратную направлению сварки. В период формирования капли 4 на неё действуют силы, которые оказывают содействие или препятствуют её отрыву от торца электрода: сила веса Р, электродинамические сили Nэд, сила поверхностного натяжения Nп.н. Сила давления газового потока Nг.п, суммируясь с силой реакции газов, которые выделяются из капли Nр.г, образует результирующую силу влияния газовых потоков Nг, под давлением которой происходит отклонение капли в сторону давления газовых потоков: большая часть капли после отрыва от электрода летит в потоке жидкого флюса, который ограничивает зону сварки, к задней части ванны.

Под влиянием давления дуги жидкий металл также отклоняется в сторону противоположную направлению сварки, образуя кратер сварочной ванны. Под дугой находится тонкий слой жидкого металла, от толщины которого во многом зависит глубина проплавления. Расплавленный флюс, который попадает в ванну, вследствие значительно меньшей плотности всплывает на поверхность расплавленного металла шва и покрывает его плотным слоем застывших шлаков 8.

Среда в сварочной зоне является наиболее благоприятной с точки зрения защиты металла от взаимодействия с воздухом. Кроме того, флюс препятствует разбрызгиванию жидкого металла и оказывает содействие созданию более благоприятных условий при охлаждении и кристаллизации металла шва.

Для выполнения функций защиты и обработки расплавленного металла флюсы при расплавлении должны образовывать шлаки и газы с определенными физико-химическими свойствами .

Условия прохождения металлургических процессов:

- высокоэффективная защита сварочной ванны (наличие изолированного пространства) от кислорода и азота воздуха (в швах, выполненных под флюсом, содержание азота не превышает 0,008%);

- объем сварочной ванны больше, чем при ручной дуговой сварке, дольше и время пребывания ее в расплавленном состоянии, которое оказывает содействие более полному прохождению химических реакций между жидким металлом и шлаками;

- стойкая зависимость между режимом сварки и химическим составом расплавленного металла, которая позволяет с достаточной точностью и стабильностью получать заданный состав металла шва;

- легирование шва марганцем и кремнием путем восстановления их из оксидов MnO и SіO2, которые содержатся в флюсе.

Дуговая сварка под флюсом отличается высокой производительностью (для электрода диаметром 3 мм при ручной сварке плотность тока составляет 11...18 А/мм2, при автоматической под слоем флюса она равняется 50...85 А/мм2) и качеством получаемых соединений, а также возможностью автоматизации процесса.

Хорошая и относительно дешевая тепловая изоляция сварочной дуги, повышенное давление газовой среды над ванной и большая плотность тока (плотность энергии в пятне нагревания достигает 103 Вт/см2) влияют на более глубокое проплавление свариваемого металла. Это, в свою очередь, разрешает уменьшить глубину обработки кромок изделия, которые сваривают, и сократить количество металла, нужного для образования швов (с 70 до 30%).

К недостаткам процесса следует отнести: более высокие требования к чистоте сварочных кромок и сборка деталей; трудность сварки деталей небольшой толщины; выполнение коротких швов и швов в положениях, отличающихся от нижнего. Затруднено визуальное наблюдение положения электрода относительно свариваемого стыка.

1.2 Требования к подготовке кромок и сборке изделия под сварку более высокие, чем при ручной сварке. Эти требования вытекают из условий автоматической сварки. Настроенный под определенный режим автомат точно выполняет установленный процесс сварки и не может учесть и выправить отклонения в разделке кромок и сборке изделия. Разделку кромок производят машинной кислородной или плазменно-дуговой резкой, а также на металлорежущих станках.

Свариваемые кромки перед сборкой должны быть тщательно очищены от ржавчины, грязи, масла, влаги и шлаков. Это особенно важно при больших скоростях сварки, когда различные загрязнения, попадая в зону дуги, приводят к образованию пор, раковин и неметаллических включений. Очистку кромок производят пескоструйной обработкой или протравливанием и пассивированием. Очистке подвергается поверхность кромок шириной 50…60 мм по обе стороны от шва. Перед сваркой детали закрепляют на стендах или иных устройствах с помощью различных приспособлений или прихватывают ручной сваркой электродами с качественным покрытием. Прихватки длиной 50…70 мм располагают на расстоянии не более 400 мм друг от друга, а крайние прихватки — на расстоянии не менее 200 мм от края шва. Прихватки должны быть тщательно очищены от шлака, брызг металла.

При сварке продольных швов для ввода электрода в шов и вывода его из шва за пределы изделия по окончании сварки к кромкам приваривают вводные и выводные планки. Форма разделки планок должна соответствовать разделке кромок основного шва.

Режим автоматической сварки: сварочный ток, напряжение дуги, диаметр, угол наклона и скорость подачи электродной проволоки, скорость сварки и основные размеры разделки кромок — выбирают в зависимости от толщины свариваемых кромок, формы разделки и свариваемого металла.

Стыковые швы выполняют с разделкой и без разделки кромок. При этом шов может быть одно- и двусторонним, одно- и многослойным.

Односторонняя стыковая сварка применяется в малоответственных сварных соединениях или в случаях, когда конструкция изделия не позволяет производить двустороннюю сварку шва. Значительный объем расплавленного металла, большая глубина проплавления и некоторый перегрев ванны могут привести к вытеканию металла в зазоры и нарушению процесса формирования шва.

Рис 1. Флюсовая подушка

Чтобы избежать этого, следует закрыть обратную сторону шва стальной или медной подкладкой, флюсовой подушкой или проварить шов с обратной стороны.

В практике применяют четыре основных приема выполнения односторонней сварки стыковых швов, обеспечивающих получение качественного сварного шва.

Сварка на флюсовой подушке (рис. 1) заключается в том, что под свариваемые кромки изделия 1 подводят флюсовую подушку 2 — слой флюса толщиной 30…70 мм. Флюсовая подушка прижимается к свариваемым кромкам под действием собственной массы изделия или с помощью резинового шланга 3, наполненного воздухом. Давление воздуха в зависимости от толщины свариваемых изделий составляет 0,05…0,06 МПа для тонких и 0,2…0,25 МПа для толстых кромок. Флюсовая подушка не допускает подтекания расплавленного металла и способствует хорошему формированию металла шва.

Сварка на медной подкладке применяется для большего теплоотвода в целях предупреждения пережога металла кромок. Вместе с тем подкладка, установленная с нижней стороны шва, предупреждает протекание жидкого металла сварочной ванны. Подкладка прижимается к шву с помощью механических или пневматических приспособлений. После сварки подкладка легко отделяется от стальных листов. При зазоре между свариваемыми кромками более 1…2 мм медную подкладку делают с желобком, куда насыпают флюс. В этом случае на обратной стороне шва образуется сварной валик. Ширина медной подкладки составляет 40…60 мм, а толщину подкладки (5…30 мм) выбирают в зависимости от толщины свариваемых кромок.

Институтом электросварки им. Е. О. Патона разработан метод сварки, при котором по обратной стороне шва перемещается медный башмак, охлаждаемый водой (рис. 2). При этом свариваемые листы собирают с зазором 2…3 мм и через каждые 1,2…1,5 м скрепляют сборочными планками путем прихватки короткими сварными швами. Сварочный трактор 2 имеет нож 5, устанавливаемый в зазор стыка и прижимающий пружиной 1 тягу 4 с роликами 6 и медным башмаком 3 к нижней стороне свариваемых кромок. Нож направляет трактор вдоль свариваемого шва. Башмак, перемещаясь вместе с трактором, все время находится под сварочной дугой, предупреждая протекание жидкого металла и формируя нижнюю сторону шва. По мере приближения трактора к сборочным планкам их удаляют ударами молотка.

Рис. 2 .Метод сварки, при котором по обратной стороне шва перемещается медный башмак, охлаждаемый водой.

Сварка на стальной подкладке производится в тех случаях, когда конструкция изделия допускает приварку подкладки с обратной стороны шва. Стальную подкладку плотно подгоняют к плоскости свариваемых кромок и прикрепляют короткими швами ручной дуговой сваркой. Затем автоматической сваркой выполняют основной шов, проваривая одновременно основной металл и металл подкладки. Размеры подкладки зависят от толщины свариваемых кромок. Обычно подкладку изготовляют из стальной полосы шириной 20…60 мм и толщиной 4…6 мм.

Сварка после предварительного наложения подварочного шва вручную применяется для упрощения процесса сборки изделия. Однако такой способ автоматической сварки значительно увеличивает затраты труда и материалов и поэтому, его следует применять реже.

Режимы автоматической сварки стыковых швов тонколистовых изделий представлены в табл. 1.

Таблица 1.

Двусторонняя стыковая сварка дает более высококачественный шов, обеспечивая хороший провар шва даже при некотором смещении свариваемых кромок. При изготовлении строительно-монтажных конструкций двусторонний способ сварки является основным. Стыковое соединение сваривают автоматом сначала с одной стороны так, чтобы глубина проплавления составляла 60…70% толщины металла шва. Зазор между кромками должен быть минимальным, не более 1 мм. При этом сварку выполняют на весу без подкладок и уплотнений с обратной стороны стыка.

При невозможности выдержать зазор между кромками менее 1 мм принимают меры по предупреждению подтекания жидкого металла, так же как это делают при односторонней сварке, т. е. производят сварку на флюсовой подушке, медной подкладке, на стальной подкладке или применяют прихватку ручной дуговой сваркой. Тавровые и нахлесточные соединения сваривают вертикальным электродом при положении шва «в лодочку» (рис. 3, а) или наклонным, если один из листов занимает горизонтальное положение (рис. 3, б).

Рис. 3.

Тавровые и нахлесточные соединения сваривают вертикальным электродом при положении шва «в лодочку» (а)

Наклонным, если один из листов занимает горизонтальное положение (б)

При этом в зависимости от толщины свариваемых кромок и назначения соединения сварка может быть выполнена без разделки кромок, с одно- или с двусторонней разделкой кромок (рис. 4, а, б, в).

Рис. 4.

Разделка кромок с одно- или с двусторонняя.

1.3 Материалы для сварки под флюсом: электродная проволока и флюсы их свойства и марки.

Электродная проволока. Правильный выбор марки электродной проволоки для сварки - один из главных элементов разработки технологии механизированной сварки под флюсом. Химический состав электродной проволоки определяет состав металла шва и, следовательно, его механические свойства.
Для сварки сталей предназначена проволока по ГОСТ 2246—70 Проволока стальная сварочная». В соответствии с этим ГОСТом выпускают низкоуглеродистую, легированную и высоколегированную проволоку диаметром 0,3; 0,5; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10,0; 12,0 мм. Проволока поставляется в бухтах массой до 80 кг. На каждой бухте крепят металлическую бирку с указанием завода-изготовителя, условного обозначения проволоки, номера партии и клейма технического контроля. По соглашению сторон проволоку могут поставлять намотанной на катушки или кассеты. Транспортировать и хранить про волоку следует в условиях, исключающих ее ржавление, загрязнение и механическое повреждение. Если же поверхность проволоки загрязнена или покрыта ржавчиной, то перед употреблением ее необходимо очистить. Проволоку очищают при намотке ее на кассеты в специальных станках, используя наждачные круги. Для удаления масел используют керосин, уайт-спирит, бензин и др. Для устранения влаги применяют термическую обработку: прокалку при температуре 100 - 150 °С. ЦНИИТМАШ рекомендует обрабатывать проволоку в 20%-ном растворе серной кислоты с последующей прокалкой при температуре 250 °С 2 - 2,5 ч. Необходимость в обработке электродной проволоки перед сваркой отпадает, если использовать омедненную проволоку .Для механизированной сварки под флюсом и по флюсу алюминия и его сплавов используют сварочную проволоку, выпускаемую по ГОСТ 7871-75 «Проволока сварочная из алюминия и алюминиевых сплавов». ГОСТ 16130-72 «Проволока и прутки из меди и сплавов на медной основе сварочные» предъявляет требования к проволоке для сварки меди и ее сплавов. Подготовка этих проволок к сварке во многом определяет качество сварного соединения. Как правило, подготовка этих проволок к сварке такая же, как и основного металла. Наилучшие результаты обеспечивает химическая обработка или электро литическое полирование.
Сварочные флюсы.Сварочный флюс - один из важнейших элементов, определяю щих качество металла шва и условия протекания процесса сварки. От состава флюса зависят составы жидкого шлака и газовой атмосферы. Взаимодействие шлака с металлом обусловливает определенный химический состав металла шва. От состава металла шва зависят его структура, стойкость против образования трещин. Состав газовой атмосферы обусловливает устойчивость горения дуги, стойкость против появления пор и количество выде ляемых при сварке вредных газов.
Функции флюсов. Флюсы выполняют следующие функции: физическую изоляцию сва рочной ванны от атмосферы, стабилизацию дугового разряда, химическое взаимодействие с жидким металлом, легирование металла шва, формирование поверхности шва.
Лучшая изолирующая способность - у флюсов с плотным строением частиц мелкой грануляции. Однако при плотной укладке частиц флюса ухудшается формирование поверх ности шва. Достаточно эффективная защита сварочной ванны от атмосферного воздействия обеспечивается при определенной толщине слоя флюса.

Необходимая высота слоя флюса сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей на различных режимах следующая:
Сварочный ток, А …...... 200 – 400 600 – 800 1000 - 1200
Высота слоя флюса, мм … 25 – 35 35 – 40 45 - 60

Основные режимы сварки для различных толщин металла и диаметров проволоки приведены в таблице 1.

Таблица 1.

В состав флюса вводят элементы-стабилизаторы, повышающие стабильность горения дуги. Введение этих элементов позволяет применять переменный ток для сварки, более широко варьировать режимы сварки.
Химический состав металла шва формируется за счет основного и электродного металлов. Однако состав флюса может привести к заметным изменениям химического состава металла шва. Эти изменения возможны, как. правило, только в пределах долей процента, Для легирования металла шва применяют керамические флюсы.
Формирующая способность флюсов определяется вязкостью шлака, характером ее зависимости от температуры, межфазным натяжением на границе металл — шлак и т. п. Формирующая способность в значительной степени зависит от мощности дуги. При сварке мощной дугой (ток свыше 1000 А) хорошее формирование обеспечивают «длинные» флюсы, вязкость которых при повышении температуры монотонно уменьшается.

При сварке кольцевых швов малого диаметра для предотвращения отекания шлака следует использовать «короткие» флюсы, вязкость которых резко уменьшается с повышением температуры. Существенное влияние на формирование шва оказывает газопроницаемость флюса, которая определяется размерами частиц и насыпной массой флюса. Рекомендуемые размеры частиц стекловидного флюса в зависимости от мощности дуги, обеспечивающие удовлетворительное формирование шва, приведены ниже:
Сварочный ток, А…....... 200 – 600 600 -1200
Грануляция частиц, мм… 0,25 - 1,6 0,4 - 2,5
По назначению флюсы подразделяются:
- для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей;
- для сварки легированных и высоколегированных сталей;
- для сварки цветных металлов и сплавов.
В зависимости от химического состава флюсы классифицируют по со держанию кремния и марганца.
Низкокремнистые флюсы содержат менее 35% SiO2. При со держании более 1% МnО флюс называют марганцевым. Высококремнистые флюсы содержат более 35% SiO2; в составе безмарганцевых флюсов менее 1% МnО. Особую группу при классификации флюсов по химическому составу занимают бескислородные флюсы. По степени легирования различают флюсы пассивные (практически не легирующие металл шва), слаболегирующие (плавленые) и легирующие (керамические). По способу изготовления флюсы подразделяются на плавленые, керамические и механические смеси. По строению частиц плавленые флюсы разделяют на стекловидные (прозрачные зерна) и пемзовидные (зерна пенистого материала белого или светлых оттенков желтого, зеленого, коричневого и других цветов). Пемзовидные флюсы имеют меньшую насыпную массу (0,7 -1,0 кг/дм³), чем стекловидные (1,1-1,8 кг/дм3). Наибольшее применение нашли плавленые флюсы.
Общие требования к флюсу. Флюсы для механизированной сварки должны обеспечивать устойчивое протекание процесса сварки, отсутствие кристаллизационных трещин и пор в металле шва, требуемые механические свойства металла шва и сварного соединения в целом, хорошее формирование шва, легкую отделимость шлаковой корки, минимальное выделение токсичных газов при сварке, а также иметь низкую стоимость и возможность массового промышленного изготовления.

Сочетания флюс-проволока.При всем своем многообразии любое сочетание флюс/проволока должно оцениваться по двум основным факторам:
• обеспечение требуемого уровня механических свойств металла швов и сварных соединений;
• невысокая стоимость сварочных работ (с учетом производительности процесса, сварочно-технологических свойств флюса, расходов на подготовку флюса к сварке и удаление шлаковой корки, санитарно-гигиенических требований и т. п.).
Если сварочно-технологические характеристики процесса сварки определяются в основном свойствами флюса, то механические свойства металла швов и сварных соединений зависят от сочетаний "флюс-проволока".