Меры по предотвращению появления трещин

Чтобы во время работы и после нее не появлялись трещины, как горячие, так и холодные, необходимо предпринять определенные меры. Именно они помогут правильно справиться со всеми проблемами, свести вероятность появления дефектов к минимуму. Трещина горячего либо холодного вида уже не появится, если предпринять следующие действия:

Общий характер изменения склонности к образованию горячих трещин в сварных швах.

1. Жесткость соединения свариваемых деталей должна быть уменьшена, так как именно невозможность подвижки металла и становится причиной появления различного рода повреждений, в том числе и трещин различного размера.

2. Если сварной шов имеет слишком малый размер в сравнении с толщиной, то трещины обязательно появятся, а сам шов будет иметь низкое качество. Поэтому перед тем как начать работу, необходимо правильно подобрать тип шва, условия его образования.

3. Выбор сварки осуществляется в полном соответствии с типом обрабатываемого материала.

4. Сварной шов выполняют качественно, наконечник держится именно так, как это регламентируется всеми правилами и условиями процесса.

5. Все детали, перед тем как начнется сварка, требуется подготовить. Это касается нагрева деталей до определенных температур.

6. Электроды нужно выбирать тщательно, основываясь на температуре работы, типе металла и сварочного аппарата. Нельзя брать дешевые электроды, так как качество самой работы будет низким.

7. Нельзя превышать рекомендованное значение сварного тока, так как это приведет к перегреву, появлению большого числа крупнозернистых участков охрупченного типа и структуры.

8. Если в основном свариваемом металле есть много легирующих добавок и углерода, то необходимо внимание уделить выбору технологии и процесса сварки.

Вопрос 43

Режимы сварки выбираются после назначения способа сварки, выбора разделки кромок с учетом свойств, свариваемого материала. На основании большого количества экспериментального материала и расчетных методик созданы таблицы режимов и номограммы, которые позволяют устанавливать оптимальный режим, обеспечивающий высокое качества сварного соединения.

Основными параметрами режима при ручной сварке покрытыми электродами являются: род тока и его полярность, диаметр электрода и сила тока. Род тока и полярность выбираются в зависимости от состава покрытий, диаметр электрода выбирается в зависимости от толщины свариваемого металла, сила тока жестко связана с диаметром электрода. При автоматической сварке основными параметрами режимов являются: род тока и полярность, диаметр электродной проволоки, сила тока, Iсв, напряжение на дуге Uд, скорость сварки Vcв, скорость подачи электродной проволоки Vпод, марка флюса или газа.

В случае сварки в защитной среде обязательно указывается расход газа, обеспечивающий защиту зоны сварки. Выбор всех этих параметров осуществляется в зависимости от марки свариваемого материала, способа сварки и типа сварного соединения, используя таблицы и номограммы, либо расчетные формулы.

Сварочное оборудование выбирается из условия обеспечения режимов сварки, применяемогоспособа сварки и свойств свариваемого материала, апри ручной сварке штучными электродами в зависимостиот химического состава покрытия и режимов сварки.

Для приварки люка выбран полуавтоматический метод сварки сплошной проволокой. Это связано с тем, что в монтажных условиях не всегда возможно устранить фактор нарушения газовой защиты от ветровых нагрузок. Диаметр электрода выбирается в зависимости от толщины свариваемого металла.

Исходя из конструкции базовая толщина свариваемых изделий 5...8 мм, поэтому за основу принимаем катет 6 мм. Руководствуясь данными приведёнными в таблице 2, выбираем диаметр электродной проволоки равным 1,6 мм.

Данные по выбору диаметра электродной проволоки

Таблица 2

Толщина листа, мм	1-2	3-8	6-24 и более
Диаметр электродной проволоки dЭ, мм	0,8-1,0	1,2-1,6	2,0

Характер расчета зависит от вида соединения, типа разделки, количества наплавленного металла.

Произведем расчет режимов сварки углового однопроходного шва с катетом 6.

Ширина шва Е_ш зависит от катета, который для различных толщин задан ГОСТ 14771-76 применительно к угловым, тавровым соединениям.

Еш= 1,41 * k , (1)

где k – катет шва.

В данном расчете катет шва равен k = 6 мм

Еш = 1,4 *6 = 8,4 мм (2)

Для получения качественного сварного шва расчетное значение увеличиваем на 2…3 мм, т. е. Е=12 мм

Глубина проплавления рассчитывается из условия

h_пр = ( 0,85 … 1 ) * k - 0,035 * k² , (3)

где k- катет шва.

Значение в скобках принимаем равное 0,85

h_пр = 1*6 – 0,035 * 36 мм = 4.74 мм

По диаметру электродной проволоки определяем значение сварочного тока.

I_св = 200 * d_эл * ( d_эл – 0,5 ) + 50 , (4)

где d_эл- диаметр электродной проволоки.

Для сварки данного изделия будет использоваться сварочная проволока диаметром равный 1,6 мм.

I_св = 100 * 1,6 * ( 1,6 – 0,5 ) + 50 = 226 А.

Напряжение на дуге рассчитывается по формуле

U_g = 20 + 0,05 * I_св * d_эл^-0,5 (5)

где I_св – значение сварочного тока, А;

d_эл – диаметр электродной проволоки, мм.

U_g = 20 + 0,05 * 226 * 1,6^-0,5 = 48.25 В.

Площадь сечения наплавленного металла F_н определяется из соотношения

F_н = 0,5 * k² * k_у , (6)

где k – катет шва;

k_у – коэффициент, учитывающий выпуклость шва.

Для катета 6 этот коэффициент равен 1,45

Подставляя данные в формулу (6) получим

F_н = 0,5 * 36 * 1,45 = 26 мм²

Скорость сварки определяется по формуле:

V_св = α_{н *} I_св */ р * F_н (7)

где р - плотность свариваемого металла (7,8 г/см³);

α_н -коэффициент наплавки.

Для механизированной сварки в защитных газах α_н составляет 15 – 18 г/А*ч.

Коэффициент наплавки принимаем равный 15 г/А*ч.

Тогда

V_св = 15 *226 / 7,8 * 26 = 113 м/ч

Скорость подачи электродной проволоки равна,

V_пп = 4 * V_св * F_н / *П * d_эл² ( 8 )

где V_св – скорость сварки;

F_н – площадь сечения наплавленного металла шва;

П = 3,14

d_эл – диаметр электродной проволоки.

V_пп = 4 * 113 * 24/ 3,14 * 1.6 = 552 м/ч.

Значение расхода защитного газа принимаем в соответствие с таблицей 3

В рассматриваемом случае расход газа составит 10л/мин.

Зависимость напряжения и расхода углекислого газа от силы тока

Таблица 3

Сила свароч.тока,А			≤ 160	≤ 240	≤ 300	≤ 380	≤ 450
Напряжение дуги,В			≤ 22	≤ 27		≤ 32	≤ 34
Расх. СО2, л/мин	≤ 10	≤ 10	≤ 10	≤16	≤ 16		≤ 20

Таблица режимов сварки в среде защитных газов

Таблица 4

Iс	Uд	Vсв	Vпп	F	К	Еш	hпр
А	В	м/ч	м/ч	мм2	Мм	мм	мм
Расчётные значения
	27.5						4,1
Справочные значения
120…250	25…28	12…15	250…280	-	4…7	8...12	4…6
Заданные значения
130…150	25…27	15…20	280…300	18…20		10…12	4…5

Таким образом, сварку предлагается выполнять методом механизированной сварки цельной проволокой. Применяемая проволока СВ08Г2С относится к разряду омедненных. Характеристики проволоки сварочной СВ08Г2С соответствуют ГОСТ 2246-70. СВ08Г2С обеспечивает надежность соединений благодаря ее высоким сварочно-технологическим свойствам. Диаметр стальной сварочной проволоки СВ08Г2С варьируется от 0,8 до 4,0 мм, она поставляется в мотках и на кассетах. Проволока СВ08Г2С применяется для сварочных работ малоуглеродистых и низколегированных сталей. Сварка проводится и в смеси аргона AR и углекислого газа СО2 (соотношение рабочих газов в смеси 80/20) и в среде чистого углекислого газа.
В процессе сварки сварочная проволока расплавляется и сваривает раскаленным металлом свариваемые поверхности. Проволока омедненная для сварки соответствует ГОСТу 2246-70.

Вопрос 44

Электродные покрытия

Назначение. Для выполнения ряда функций, позволяющих получить сварной шов требуемых свойств и установленного качества.
Функции основные:
- защита дуги от контакта с газами атмосферы (кислород, азот, водород);
- защита металла сварочной ванны расплавленным шлаком от окисления, азотирования и наводороживания;
- защита кристаллизирующегося шва от зашлаковки, порообразования, кристаллизационных трещин шлаковой системой;
Функции дополнительные: стабилизация npoцессов зажигания дуги и её горения в широком диапазоне рабочих режимов; раскисление металла сварочной ванны; рафинирование металла шва; легирование сварного шва.
Конструкция покрытия. Электродное покрытие - это смесь измельченных компонентов и связующего вещества, нанесенная на металлический стержень методом опрессования или (реже) окунанием. Покрытия составляю! на базе комбинированной газошлаковой защиты плавящегося металла. В одних видах покрытий имеет место шлаковая защита сварочной ванны, а в других - газовая.
В состав электродных покрытий входят:
1. Стабилизирующие элементы процесса зажигания и горения дуги в виде щелочных и щелочно-земельных металлов: калия, натрия, цезия, кальция.
2. Газообразующие компоненты, создающие газовую защиту дуги и сварочной ванны в виде органических веществ: крахмала, древесной муки, декстрина и др.
3. Шлакообразующие составляющие: полевой шпат, кремнезем, каолин, тальк, рутиловый концентрат, плавиковый шпат и др.
4. Раскислители - вещества, способствующие восстановлению окиси железа, имеющие большее сродство с кислородом, чем железо. В качестве раскислителей используют ферромарганец, ферросилиций, ферротитан и др.
5. Легирующие элементы (марганец, хром, никель, молибден, ванадий и др.) для придания шву специальных свойств.
6. Пластификаторы - составляющие в виде слюды, целлюлозы, бентонита, каолина и др. для повышения пластичности обмазки.
7. Рафинирующие компоненты (соединения марганца и окись кальция),выводящие из сварочной ванны серу и фосфор в шлак.
8. Связующие вещества - натриевое, калиевое и натриево-калиевое жидкое стекло.
Большая часть составляющих покрытия выполняет одновременно несколько функций. Например, мрамор, магнезит и доломит являются как газообразующими, так и шлакообразующими; полевой шпат, слюда, жидкое стекло - шлакообразующими и связующими; ферросплавы - раскислителями и легирующими.

Виды покрытий
Кислое - А
Характеристики. Такие электроды малочувствительны к образованию пор в швах при наличии окалины и ржавчины на кромках свариваемого металла. Обладают малой склонностью к порообразованию при сварке длинной дугой и на форсированных режимах. Высокопроизводительны. Обеспечивают стабильность процесса сварки на переменном токе и легкое зажигание дуги при невысоком напряжении холостого хода источника питания.
Металл шва соответствует кипящей стали. Наводороживание металла шва ограничивает использование таких электродов для сварки закаливающихся углеродистых и легированных сталей.
Для электродов с кислым покрытием недопустима высокотемпературная прокалка. Недостаточная отделяемость шлака способствует «зашлаковке» шва при многослойной сварке. К недостаткам этих электродов следует отнести повышенное разбрызгивание и высокую токсичность.
Применение. Для сварки неответственных конструкций из низколегированных сталей в строительстве и машиностроении. Эффективны при сварке в нижнем положении, но могут быть использованы для вертикальных и горизонтальных швов.

Основное - Б
(фтористо-кальциевое)

Характеристики. Малая окислительная способность покрытия обеспечивает хорошее раскисление и легирование наплавленного металла. В металле шва понижено содержание водорода,кислорода, примесей серы и фосфора. Шов стоек к образованию горячих трещин и сероводородному растрескиванию.
Электроды требуют прокаливания непосредственно перед сваркой, чтобы не возникало пор.
Нестабильность горения дуги позволяет вести сварку только постоянным током обратной полярности. Удлинение дуги и большие зазоры приводят к старению и охрупчиванию металла шва из-за насыщения его азотом.
Применение. Для сварки закаливающихся сталей, склонных к образованию холодных трещин; сталей с повышенным содержанием серы и фосфора; хорошо раскисленных спокойных сталей с высоким содержанием углерода и серы; низко- и высоколегированных сталей, работающих при больших динамических и знакопеременных нагрузках в коррозионноактивных средах при высоких температурах. Эффективны при многослойной сварке во всех пространственных положениях конструкций с высокой жесткостью, трубопроводов с сероводородной средой.

Целлюлозное - Ц

Характеристики. Из-за небольшой толщины покрытия количество легкоудаляемого шлака невелико. Благодаря глубокому проплав-лению обеспечивается качественная сварка корневого шва без пор и зашлаковок при значительных зазорах стыкуемых кромок. Дуга горит стабильно на переменном и постоянном токах.
При сварке возможно наводороживание металла шва. Он становится склонным к образованию горячих трещин при увеличенном содержании в стали углерода и серы.
Недостатки: разбрызгивание металла и чувствительность электродов к перегреву при прокаливании.
Применение. Эффективны при сварке корневого шва магистральных трубопроводов из низкоуглеродистых сталей. Целесообразны в строительно-монтажном производстве при односторонней сварке с гарантированным проплавлением корневого шва. Не следует использовать для сварки закаливающихся сталей с повышенным содержанием углерода и легирующих элементов.

Рутиловое - P

Характеристики. Электроды не склонны к образованию пор в швах при сварке по окалине и ржавчине, не чувствительны к изменениям длины дуги. Позволяют выполнять сварку по загрунтованным покрытиям без снижения механических свойств металла шва. Обеспечивают легкое зажигание дуги, стабильность ее горения как на переменном, так и на постоянном токе. Легко отделяется шлак, разбрызгивание минимально, качественно формируется шов в вертикальном и потолочном положениях. При этом обеспечивается плавный переход шва к основному металлу , что исключает образование усталостных трещин при знакопеременных нагрузках. Малая склонность к образованию пор при зажигании дуги исключает появление пор в кратерах («стартовой пористости»).
Применение. Для сварки конструкций из низколегированных и низкоуглеродистых сталей. При средней и большой толщине покрытия сварка во всех положениях. При особо толстом покрытии - в нижнем положении. Электроды с большим количеством железного порошка используют для сварки среднеуглеродистых сталей. Не следует применять для конструкций, работающих при высоких температурах.

Вопрос 45

Кислород (О2) в металле шва проникает из окружающего воздуха и образует в металлах окислы (FeO, Fe2O3, Fe3O4), что приводит к понижению механических свойств металла. При охлаждении металла окислы железа образуют шлаковые прослойки между зернами металла, неметаллические включения. Окислы железа приводят к коррозии металла.

Азот (N2) в металле шва проникает из окружающего воздуха и образует в металле нитриты марганца MnN и кремния SiN. При больших скоростях охлаждения азот не успевает полностью выделится, и составляет с металлом пересыщенный твердый раствор, что со временем является причиной процесса старения металла, при котором значительно снижаются механические свойства стали. Азот является вредной примесью стали, так как, повышает прочность и твердость, значительно снижая пластичность и вязкость металла.

Водород (H2) в зону сварки, попадает из окружающего воздуха, влаги электродных покрытий и ржавчины. Молекулярный водород распадается на атомарный, который хорошо растворяется в расплавленном металле. При высоких скоростях охлаждения водород переходит из атомарного состояния в молекулярное состояние, не полностью выделится из металла сварочной ванны, что вызывает образование пор и трещин и снижает пластичность металла шва.

Азот, кислород и водород являются вредными примесями для металла. Для того чтобы предотвратить, защитить сварочную ванну от их влияния необходимо производить раскисления металла при помощи элементов содержащихся электродном покрытии, таких как алюминий, марганец, кремний.

Вопрос 46

Металлургические процессы при электрошлаковой сварке отличаются от аналогичных процессов при дуговой сварке следующими особенностями:

в плавильной зоне отсутствует газовая фаза;

температура в зоне сварки ниже, чем при дуговой сварке;

сменность шлака-флюса незначительна;

при сварке имеет место электролиз шлака шлаковой ванны;

поверхность шлаковой ванны заметно окисляется кислородом воздуха.

Не рассматривая влияния каждого фактора в отдельности, необходимо отметить, что при электрошлаковой сварке может иметь место изменение химического состава металла шва по его длине.

Непостоянство химического состава шва по длине обусловлено непостоянством перехода элементов из шлака в шов и непостоянством окисления элементов.

В первые моменты электрошлаковой сварки (на длине шва 150—200 мм) происходит значительное обогащение металла шва марганцем и кремнием вследствие их восстановления из окислов этих элементов, входящих в состав флюса. Окисление железа происходит из-за большой его концентрации в металле по реакции: МnО + Fe => Мn + FeO.

По мере накопления в шлаке FeO этот процесс затухает и после выполнения шва длиной 150—200 мм восстановление марганца и кремния из шлака уже не происходит.

Кроме того, имеет место непостоянство окисления элементов, входящих в состав проволоки, а также обеднение шва этими элементами. А окисление переходящих капель происходит из-за образования высших окислов в шлаке в результате воздействия на него воздуха. При этом у поверхности шлаковой ванны происходит следующая реакция: 4FeO + O2 => 2Fe2O3. Когда в шлаке накопится значительное количество Fe2O3 (после выполнения шва длиной 100—150 мм), на поверхности капель электродного металла происходят другие реакции: Fe2O3 + Mn => 2FeO + MnO (шлак); Fe2O3 + С => 2FeO + CO (газ) и т. п.

В результате этого процесс может привести к выгоранию как полезных (кремний, марганец), так и вредных примесей (сера), содержащихся в проволоке в малых количествах.

Из-за возможности электролиза шлака шлаковой ванны, род тока и полярность существенно влияют на химический состав металла шва. Шлак представляет собой электролит, состоящий из ионов металла, кислорода и окислов металлов. Если сварка производится постоянным током при прямой полярности, то к катоду (в данном случае — сварочной проволоке) направляются элементы и соединения, имеющие положительный заряд (положительные ионы марганца, железа и др.). Повышение концентрации ионов марганца у поверхности проволоки уменьшает вероятность его окисления и перехода в шлак. Это способствует сохранению марганца в каплях электродного металла и даже повышению его содержания вследствие восстановления ионов до атомов: Mn+ + е =>Мп0.

Отрицательные ионы (кислород и кислородосодержащие элементы) направляются к аноду — сварочной ванне, температура которой ниже, а удельная поверхность ванны относительно объема жидкого металла менее нагрета по сравнению с каплями электродного металла. Поэтому окисление марганца и других элементов в металлической ванне невелико. В итоге шов не только обедняется, но даже обогащается Mn, Si и другими элементами.

При обратной полярности к аноду (к сварочной проволоке) направляются ионы кислорода и ионы кислородосодержащих соединений, которые, попадая на более нагретую поверхность образующихся капель металла, интенсивно окисляют марганец и другие полезные примеси. Это приводит к обеднению шва Мn, Si и другими элементами, повышающими прочность шва и его стойкость против горячих трещин, т. е. ухудшает качество шва.

Переход марганца и других полезных примесей из приволоки при сварке на переменном токе будет меньше, чем при прямой полярности, и больше, чем при обратной.

Когда необходимо сохранить нужное количество элементов-раскислителей в металле шва, сварку производят специально легированной марганцем, кремнием и другими элементами проволокой Св-10ГС, Св-10Г2.

Сварочная проволока для электрошлаковой сварки подбирается, исходя из требований к составу металла шва, который практически незначительно зависит от состава флюса.

ТЕХНОЛОГИЯ