Классификация сварки и наплавки

Горячая сварка

Горячей сваркой чугуна называют сварку с предварительным нагревом. Предварительный нагрев уменьшает разность температур основного металла и металла в зоне соединения и тем самым снижает температурные напряжения при сварке. Вместе с этим снижается скорость охлаждения сплава после сварки, что способствует предупреждению отбела и получению шва хорошего качества.

Подготовка к сварке состоит  из вскрытия, вырубки и тщательной зачистки разделки шва до чистой поверхности  металла. Вскрытие и очистку разделки шва (дефектного места) выполняют механическим путем — вырубкой или сверлением. Трещины разделывают Y- или U-образной формы. Разделка дефектного участка должна иметь плавные формы. Для предупреждения вытекания металла и придания шву нужного очертания вокруг разделки выкладывают форму из плотно прилегающих к изделию графитовых или угольных пластин. Применяют также кварцевый песок, замешанный на жидком стекле (100—150 г на 1 кг песка) и просушенный при температуре 40—60°С. При сварке излома необходимо применять приспособления, фиксирующие относительное расположение свариваемых частей и обеспечивающие точность сварки.

Применяют общий или местный  подогрев. При массовом производстве для общего подогрева деталей  и последующего их охлаждения после  сварки применяют методические печи конвейерного типа. Для подогрева отдельных крупных деталей применяют нагревательные колодцы или ямы, выложенные огнеупорным кирпичом. Если подогреву подвергается только часть детали, т. е. производится местный подогрев в зоне соединения, подлежащего сварке (полугорячая сварка), то используют горны, газовые и сварочные горелки, индукционные нагреватели и др. Температура нагрева должна находиться в пределах 400—700°С. Подогрев производят медленно и равномерно, чтобы не вызвать в детали больших внутренних напряжений и не создать трещин. 
Для сварки чугунов применяют чугунные прутки следующих марок: ПЧ1 и ПЧ2 — для газовой сварки серого чугуна с перлитной и перлитно-ферритной основой; ПЧЗ — для газовой сварки серого чугуна с ферритной структурой; ПЧН1 и ПЧШ — для пайкосварки; ПЧИ — для износостойкой наплавки; ПЧВ — для газовой сварки высокопрочных чугунов с шаровидным графитом. Прутки марок ПЧ1, ПЧ2, ПЧЗ и ПЧВ применяются с покрытием толщиной 1—1,5 мм, состоящим из графита серебристого (25%), плавикового шпата (30%), карбида кремния (40%) и алюминиевого порошка (5%), замешанных на жидком стекле (60% от сухих компонентов). Прутки изготовляют диаметром от 4 до 16 мм и длиной 250—700 мм.

Применяют графитизирующие  покрытия, содержащие графит, ферросилиций, мрамор, титановую руду, замешанные на жидком стекле. Иногда в покрытие вводят термит, что замедляет остывание  металла шва. Толщина покрытия — 2 мм.

Сварку выполняют на постоянном токе прямой полярности, однако можно  сваривать и переменным током. При  толщине металла до 21 мм сварку производят электродами диаметром 6 мм, при толщине 21—40 мм применяют электроды диаметром 8 мм, а при толщине свыше 40 мм можно рекомендовать электроды диаметром 10 мм. Сварочный ток определяется из расчета 50—60 А на 1 мм диаметра электрода. Сварку можно выполнять угольными электродами диаметром 6—12 мм в зависимости от толщины свариваемой детали. Сварочный ток составляет 200—450 А. Присадочным материалом служат прутки марок ПЧ1, ПЧ2, ПЧЗ и ПЧВ, а флюсом бура или смесь буры (50%) и соды (50%). Ток постоянный, прямой полярности или переменный.

Важным условием качественной сварки является поддержание ванны  наплавляемого металла в жидком состоянии в течение всего периода сварки. Для этого весь объем сварочных работ выполняют без перерыва. После окончания сварки деталь подвергают медленному охлаждению. Для этого заваренные участки засыпают слоем мелкого древесного угля и накрывают асбестом, что предупреждает отбел чугуна и исключает возникновение больших внутренних напряжений и трещин.

Сварка с предварительным  нагревом является самым надежным способом предупреждения дефектов чугунных изделий  любого размера и конфигурации. При точном соблюдении технологического процесса можно получить плотный и прочный шов.

Холодная сварка

Холодной сваркой чугуна называют сварку без предварительного нагрева. Ее применяют тогда, когда трудно или экономически нецелесообразно производить сварку с предварительным подогревом из-за больших габаритов изделия, опасности коробления и возникновения больших внутренних напряжений.

Хорошие результаты дают электроды  из аустенитных высоколегированных чугунов (никелевых, никелькремнистых).

Никель, не вступая в реакцию  с углеродом, хорошо сплавляется  с железом и как графитизатор препятствует отбеливанию чугуна. Электроды  имеют покрытие, состоящее из 70% карборунда и 30% углекислого стронция или углекислого бария, замешанных на жидком стекле (30 г на 100 г сухой смеси). Толщина покрытия — 0,6—0,8 мм. Электроды из никелевых чугунов применяют при сварке и наплавке поверхностей, подлежащих последующей механической обработке. Качество шва невысокое из-за склонности металла шва к образованию трещин. 
 
Сварка стальными электродами. Большая разница в усадке чугуна и стали не позволяет получить прочное сцепление между наплавленным и основным металлом при сварке стальными электродами. Поэтому таким способом сваривают швы, не работающие на растяжение или слабо нагруженные. Для повышения стойкости и снижения твердости металла шва уменьшают долю основного металла в металле шва, уменьшая глубину проплавления. Для этого сварку выполняют при малых сварочных токах электродами малого диаметра.

Чтобы металл в зоне сваренного шва имел структуру серого чугуна, применяют электродные стержни  из низкоуглеродистой стали с  толстым графитизирующим покрытием, состоящим из, %: из ферросилиция — 33, графита — 37, мела — 7 и натриевого жидкого стекла — 23. Однако полная графитизация происходит лишь при большом объеме наплавленного металла и при заварке крупных деталей с малой скоростью охлаждения металла шва.

Для усиления связи металла  шва с основным металлом применяют  сварку стальными электродами с постановкой шпилек (ввертышей). Завариваемый шов тщательно очищают от грязи и масла и в зависимости от толщины металла и назначения шва применяют V- или Х-образную разделку. На обработанной поверхности ставят стальные шпильки диаметром 6—12 мм в шахматном порядке на расстоянии друг от друга в 4—6 диаметров шпильки. Иногда для усиления связи применяют стальные соединительные планки, ребра, косынки.

Заварку шва начинают с  обварки шпилек кольцевыми валиками, а затем накладывают круговые швы и окончательно заполняют завариваемый шов металлом. Сварку производят короткими участками (40—60 мм) вразброс с перерывами, чтобы не допустить нагрева детали выше 60— 80°С. Сварочный ток составляет 30—40 А на 1 мм диаметра электрода. Диаметр электродов — 3—4 мм с покрытием типа УОНИ-13. Ток постоянный, обратной полярности. В целях повышения графитизирующего действия производят сварку пучком электродов малого диаметра. Такой прием обеспечивает более полное взаимодействие капель наплавляемого металла с покрытием и хорошую графитизацию металла шва. В зависимости от толщины свариваемого металла пучок электродов составляется из 5—21 стержней диаметром 1—2 мм. Сварочный ток определяют из расчета 10—12 А на 1 мм сечения пучка электродов. Покрытие состоит из 40% графита и 60% ферросилиция, замешанных на жидком стекле.

Сварка электродами из цветных металлов и сплавов. Большее  применение получили электроды из меди и ее сплавов. Медь, обладая графитизирующей  способностью, снижает общую твердость  металла и уменьшает отбел чугуна. Хорошие результаты дают электроды марки МНЧ с покрытием основного типа. Стержень электрода изготовляют из проволоки типа НМЖМц-28—2,5—1,5 (монельме-талл), а покрытие состоит из смеси, содержащей 55—60% мела и 40—45% графита. Применяют также покрытие, содержащее 45% графита, 15% кремнезема, 21% огнеупорной глины, 10% соды и 10% древесной золы. Сварку выполняют постоянным током обратной полярности. Рекомендуются электроды диаметром 3 мм при сварочном токе 90—121 А. Сварку ведут возможно короткой дугой небольшими участками — 21—25 мм. После сварки производят проковку металла шва.

Сварка алюминия и его сплавов

Трудности сварки алюминия и  его сплавов вызываются наличием на поверхности свариваемых кромок тугоплавкой оксидной пленки (температура плавления 2050°С), прёпятствующей сплавлению основного и присадочного металлов. Удаление оксидной пленки производят тремя способами; механическим (наждачным инструментом, металлической щеткой, шабрением), химическим (травлением, применением при сварке флюсов, содержащих фтористые и хлористые соли) и электрическим (сварка постоянным током обратной полярности или переменным током, катодное распыление).

Следует иметь в виду, что  при нагреве до температуры 400—500° С прочность алюминия резко падает и деталь может разрушиться даже под действием собственного веса.

Дуговую сварку строительных конструкций производят угольным или  плавящимся электродом. При сварке угольным электродом присадочным материалом служат прутки из алюминия АО, А1 или сплавов АМц, АК. Наличие кремния в присадочном материале повышает текучесть металла, снижает усадку и уменьшает опасность образования трещин в металле шва. 
Сварку выполняют постоянным током прямой полярности. Диаметр электрода выбирают в пределах 6—15 мм в зависимости от толщины свариваемых кромок. Сварочный ток соответственно составляет 150—500 А. Перед сваркой присадочный пруток и свариваемые кромки покрывают флюсом. При сварке плавящимся электродом применяют стержни из сварочной проволоки марок СвА97, СвАМц, СвАК5 или проволоки из сплава того же состава, что и свариваемый металл. Сварку производят постоянным током обратной полярности с возможно короткой дугой. Сварочный ток определяют из расчета 15—30 А на 1 мм диаметра электрода.

Для удаления пленки оксидов  применяют флюс АФ-4А, содержащий хлористого натрия — 28%, хлористого калия г- 50%, хлористого лития — 14% и фтористого натрия — 8%. , При сварке металлическим  электродом применяют различные  покрытия, которые содержат хлористый натрий, хлористый калий, фтористый калий, фтористый натрий, криолит, сернокислый натрий, хлористый литий и др. В качестве связующего вещества применяют декстрин или густой раствор поваренной соли. Покрытие наносят на стержень электрода слоем в 1—1,2 мм. Листы толщиной до 3 мм сваривают с отбортовкой, а при толщине металла 4—8 мм — без скоса кромок. Листы толщиной более 8 мм сваривают со скосом кромок с углом раскрытия 60—70°. Кромки листов толщиной более 8 мм перед сваркой подогревают до температуры 200—250°С. После сварки шзы тщательно очищают от шлаков и остатков флюса — промывают горячей водой, протирают щеткой и ветошью. Для более полной очистки применяют травление 5%-ным раствором азотной кислоты с последующей промывкой горячей водой и сушкой.

Автоматическую и полуавтоматическую сварку по флюсу применяют для  листов и деталей с толщиной кромок более 8 мм. Дуга горит не в слое флюса, а над флюсом. Тонкого слоя флюса  достаточно, чтобы защитить сварочную  ванну и удалить оксидную пленку. При большей толщине слоя флюса дуга шунтируется через шлак, обладающий высокой электропроводностью, и горит по слою флюса. Применяется электродная проволока марки СвА97 или СвАМц диаметром 2—3 мм. Флюс АН-А1, состоящий из хлористого натрия — 21%, хлористого калия — 50% и криолита — 30%, наносят на свариваемый шов слоем толщиной 10—35 мм. Сварку производят постоянным током обратной полярности при напряжении дуги 38—44 В. Вылет электрода составляет 25—40 мм, сварочный ток — 300—450 А, скорость сварки — 12—21 м/ч.

Качество наплавки во многом определяется материалом электрода и покрытия. Электроды разделяются на группы в зависимости от назначения и механических свойств наплавленного металла :

1.  Электроды для сварки конструкционных  сталей (УОНИ 13/55, ОМА-2,ОК-46.00, Вн-01-00, …).

2.  Электроды для сварки высоколегированных сталей ( ОЗН-350, ОЗН-300,.).

3.  Электроды для наплавки износостойких покрытий ( Т - 590, ЦН-5,…)

4.  Электроды для сварки чугуна (МНЦ - 1, ОМИ - 1, ЦЧ – 4, ПАНЧ-11).

5.  Электроды для сварки алюминевых сплавов (ОЗА - 1, А - 2, Ал - 2, …).

Электроды первых трех групп чаще всего изготовляются  из малоуглеродистой сварочной проволоки  Св — 08 , Св — 10 (цифра показывает содержание углерода в сотых долях %.).

Покрытия электродов могут быть двух видов :

1 — стабилизирующее , способствующее устойчивому горению дуги ;

2 — защитное, предохраняющее расплавленный слой  от кислорода и азота

воздуха и имеющее  раскисляющие, легирующие и другие элементы.

Стабилизирующее покрытие состоит из веществ (калий, кальций и др.), атомы которых легко ионизируются и тем самым облегчается возбуждение и горение дуги. Сухой воздух не является проводником электрического тока, но если в нем имеются ионизированные атомы, то электрический ток проходит. Простейшую стабилизирующую обмазку электродов изготовляли из 80.. 85 частей мела и 15… 20 частей жидкого стекла. Однако это покрытие не защищает металл от воздействия воздуха ; сварка выполняется , но шов получается хрупким.

Защитное  покрытие является более сложным по составу и включает в себя различные вещества :

1.  Связывающие (жидкое стекло, …);

2.  Стабилизирующие горение дуги (сода, поташ,….);

3.  Газообразующие (крахмал, пищевая мука, целлюлоза, уголь,…);

4. Шлакообразующие  (полевой шпат, плавиковый шпат, кварц,.. .);

4.  Раскисляющие и легирующие (ферромарганец, ферросилиций, ферротитан, феррохром,…)