Зварювання під шаром флюсу

Зварювання під шаром флюсу — один із різновидів зварювання плавленням, відноситься до термічного класу.

Для автоматичного дугового зварювання під флюсом використовують непокритий електродний дріт і флюс для захисту дуги та зварювальної ванни від повітря. Подача та переміщення електродного дроту механізовані. Автоматизовано процеси запалювання дуги та заварки кратера наприкінці шва.

У процесі автоматичного зварювання під флюсом дуга горить між дротом та основним металом. Стовп дуги та металева ванна рідкого металу з усіх боків щільно закриті шаром флюсу товщиною 30 — 35 мм. Частина флюсу розплавляється, у результаті чого навколо дуги утвориться газова порожнина, а на поверхні розплавленого металу — рідкі шлаки. Для зварювання під флюсом характерно глибоке проплавлення основного металу. Дія потужної дуги й досить швидкий рух електрода уздовж заготівлі обумовлюють відтискування розплавленого металу убік, протилежну напрямку зварювання. У міру поступального руху електрода відбувається затвердіння металевої й жужільної ванн із утворенням звареного шва, покритого твердою жужільною кіркою. Дріт подають у дугу й переміщають її уздовж шва за допомогою механізмів подачі та переміщення. Струм до електрода надходить через кабель.

Дугове зварювання під флюсом виконують зварювальними автоматами, зварювальними головками або самохідними тракторами, що переміщаються безпосередньо по виробу. Призначення зварювальних автоматів — подача електродного дроту в дугу і підтримка постійного режиму зварювання протягом усього процесу. Автоматичне зварювання під флюсом застосовують у серійному та масовому виробництвах, для виконання довгих прямолінійних і кільцевих швів у нижнім положенні на металі товщиною 2 — 100 мм. Під флюсом зварюють метали різних класів. Автоматичне зварювання широко застосовують при виготовленні казанів, резервуарів для зберігання рідин і газів, корпусів судів, мостових балок й інших виробів.

Цей вид зварювання є одним з основних ланок автоматичної ліній для виготовлення зварних автомобільних коліс і станів для виробництва зварених прямошовних і спіральних труб.

Зварювання сталей

Зварювання вуглецевих сталей. Сталі, які містять вуглецю до 0,27%, добре зварюються всіма способами. Сталі з під­вищеним вмістом вуглецю здебільшого зварюються з попереднім яідігріванням, а іноді з наступною термічною обробкою — нор­малізацією або відпалюванням.

Зварювання низьколегованих сталей. Сталі,що містять легуючих елементів у сумі до 2,5%, належать до низьколегова­них. Зварюють їх різними способами. Проте, подібно до сталей з підвищеним вмістом вуглецю, вони мають підвищену здатність до гартування і утворення гартівних тріщин у зоні термічного впливу. Тому більшість низьколегованих сталей завтовшки по­над 10 мм зварюють з попереднім підігріванням до температури 150—350° С, а після зварювання піддають термічній обробці — нормалізації або високотемпературному відпусканню.

Зварювання високолегованих сталей. Високолеговані ста­лі, до яких належать високохройисті нержавіючі і жароміцні феритні (Х25, Х28), феритно-мартенситні (1X13, Х14, Х17) і мар- тенситні (2X13, 3X13, 4X13) сталі з вмістом 12—18% Сг, хромо­нікелева нержавіюча аустенітна сталь Х18Н9 з вмістом 18—20%' Сг і 8—11 % № і стійка проти спрацювання високомарганцева аустенітна сталь з вмістом ІЗ—14% Мn і 1—1,3% С, зварюють за спеціальною технологією.

Зварювання чавуну

Особливості зварювання чавуну. Чавун зварюють, виправ­ляючи брак у чавунних виливках, під час ремонтних робіт (на­приклад, при заварюванні тріщин у блоках циліндрів двигунів, у станинах верстатів і пресів), а також при виготовленні зварно- литих конструкцій з високоміцних чавунів і наплавлюванні шийок на колінчастих чавунних валах автомобільних двигунів.

Основні труднощі в таких роботах пов’язані з утворенням у зварному з’єднанні зони вибілювання — структур цементиту. Ос­танні виникають внаслідок швидкого охолодження нагрітого вище точки А сі (723° С) чавуну і появою в зв’язку з цим у зоні термічного впливу структур гартування (мартенситу, тробститу та ін.). Чавун з такими структурами дуже твердий і крихкий, його важко обробляти звичайним різальним інструментом, до того ж він дуже схильний до утворення тріщин. Тому основним завданням при зварюванні чавуну є виготовлення зварного з’єд­нання з однаковою твердістю металу шва і перехідних зон, яке б не мало тріщин і яке б можна було механічно обробляти.

У практиці застосовують багато способів і прийомів зварю­вання чавуну, які можна поділити на три групи: гаряче, напівга- ряче і холодне зварювання.

Гаряче зварювання виконують з попереднім і супровід­ним підігріванням усього виробу до 400—600° С в горнах, пе­чах або інших пристроях, опалюваних деревним вугіллям, кок­сом тощо. Найчастіше зварюють ацетилено-кисневим полум’ям. Як присадний метал застосовують чавунні стержні діаметром б—15 мм, які містять 3—3,5% С і 3—4,6% Бі.

При виправлянні ливарних дефектів у важких товстостін­них чавунних виливках або під час ремонту деталей, які по­требують наплавлення значних об’ємів металу, застосовують також ручне або напівавтоматичне дугове і електрошлакове зварювання. У ручному зварюванні використовують чавунні електроди з покрйттям, яке містить графіт, феросиліцій та ін­ші елементи. Напівавтоматичне зварювання виконують по­рошковим дротом із захистом з вуглекислого газу. Для елек­трошлакового зварювання застосовують пластинчасті елек­троди з сірого чавуну. Після зварювання деталь повільно охолоджують разом з піччю або засипають сухим піском чи шлаком.

Гаряче зварювання чавуну забезпечує найкращу якість звар­них з’єднань — без зон вибілювання і тріщин. Наплавлений ме­тал після зварювання легко піддається механічній обробці. Цей спосіб застосовують для зварювання найважливіших деталей або деталей, які мають складну форму (блоки циліндрів, стани­ни та ін.).

Напівгаряче зварювання. При напівгарячому зварюванні деталь нагрівають до температури 250—450° С переважно в міс­цях зварювання. Такий спосіб застосовують для деталей неве­ликої товщини і при невеликому об’ємі наплавлюваного мета­лу. Зварюють ацетилено-кисневим полум’ям і рідше — елек­тродуговим способом вугляними електродами. Зварені деталі, як і при гарячому способі, засипають сухим піском або шлаком для повільного остигання.

Холодне зварювання чавуну здійснюють без попереднього підігрівання виробу. Для цього найчастіше використовують дуго­ве зварювання стальними електродами, електродами з кольоро­вих металів (мідними, мідно-залізними, мідно-нікелевими) і по­рошковим дротом.

Зварювання стальними електродами (УОН1 13/15 тощо) застосовують під час ремонту неважливих деталей, які після зварювання не потребують механічної обробки. Більш складні і важливі деталі (станини і рами потужних дизелів, ци­ліндри газоповітродувних машин тощо) ремонтують з установ­ленням на різьбі по кромках деталей стальних шпильок. Спочат­ку кільцеподібно обварюють шпильки, потім короткими валиками наплавляють усю поверхню кромок і, нарешті, заповнюють увесь об’єм розчищення під шов. Зварюють електродами невеликого діаметра при малій силі струму так, щоб основний метал не встигав розігріватися.

Мідними, мідно-нікелевими і з а ліз н о-н і к е леви- ми електродами зварюють складні виливки з високоміц­ного чавуну, в основному тоді, коли після зварювання потрібна механічна обробка.

Низькотемпературне газове зварювання-паяння чавуну ла­тунними присадками з застосуванням спеціальних флюсів також забезпечує високу якість зварного з’єднання. Зварювальні кром­ки при цьому нагріваються не до температури плавлення, а лише до 723° С, тому тут зона вибілювання і гартівні структури не утворюються. Технологічні прийоми зварювання-паяння анало­гічні до тих, що застосовуються при зварюванні.

Зварювання кольорових металів

Зварювання міді і її сплавів. Мідь, на відміну від сталі, має високу теплопровідність, яка майже в 6 раз перевищує теп­лопровідність сталі, інтенсивно поглинає і розчиняє різні гази» утворюючи з киснем закис СигО і окис СиО міді. Закис міді з міддю створює евтектику, температура плавлення якої (1064° СЇ нижча за температуру плавлення міді (1083°С). При затверді- ванні рідкої міді ця евтектика розташовується по краях зерен, робить мідь крихкою і схильною до утворення тріщин. Тому основним завданням при зварюванні міді є захист її від окис­лення і активне розкислення зварювальної ванни.

Найбільш поширене газове зварювання міді ацетилено-кисневим полум’ям за допомогою пальників, у 1,5—2 рази потуж­ніших, ніж при зварюванні сталей. Якщо товщина виробів більша за 5—6 мм, то їх спочатку піді­грівають до 250—300° С. Флюсами є прожарена бура або суміш із 70% бури і 30% борної кислоти. Мідь зварюють також елек­тродуговим способом вугляними або металевими електродами, у струмені захисних газів, під шаром флюсу та іншими способами.

Латунь і бронзу, як і мідь, найчастіше зварюють ацетилено­кисневим полум’ям.

Зварювання алюмінію і його сплавів. Зварювання алюмі­нію утруднюють низька температура його плавлення (658°С), велика теплопровідність (приблизно в три рази вища від тепло­провідності сталі), утворення тугоплавких оксидів алюмінію АІ2О3, що мають температуру плавлення 2050° С і густину 3,9-іЮ³ кг/м³, яка значно перевищує густину алюмінію (2,7 -10³ кг/м³). Крім того, ці оксиди слабко реагують як з кис­лими, так і з основними флюсами і тому погано видаляються із шва.

Найбільше застосовують газове зварювання алюмінію ацетилено-кисневим полум’ям. Останніми роками значно пошири­лось також автоматичне дугове зварювання його металевими електродами під флюсом і в середовищі аргону.

При всіх способах зварювання, крім аргоно-дугового, засто­совують флюси або електродні покриття, до складу яких входять хлористі і фтористі сполуки літію, калію, натрію та інших еле­ментів. Під впливом флюсів А1₂0з переходить у леткий АІСІз, який має низьку густину (2,4-10³ кг/м?) і самосублімується при температурі 183° С. Як присадний метал у всіх способах зварю­вання використовують дріт або стержні того самого складу, що й основний метал.

Сплави алюмінію, до яких належать алюмінієво-марганцеві, алюмінієво-магнієві, алюмінієво-мідні і алюмінієво-кремнисті, як і алюміній, зварюють газовим, дуговим, аргоно-дуговим, елект­ронно-променевим та іншими способами.

Навчальне питання 3. Електродугове різання та наплавлення металів.

Сутність процесу і способи наплавлення.

Наплавлення — це процес нанесення шару сплаву потрібного складу і власти­востей на робочу поверхню виробу. Наплавлення широко засто­совують для виготовлення нових і відновлення спрацьованих по­верхонь, для утворення поверхневого шару, який мав би високі твердість і стійкість проти спрацювання, потрібну жароміцність тощо.

Є багато різних способів наплавлення, проте найпоширеніші такі: ручне дугове, автоматичне і напівавтоматичне дугове, газо­вим полум’ям, вібродугове, струмами високої частоти, електро­шлакове. Останнім часом розроблено прогресивний спосіб на­плавлення наморожуванням.

Ручне дугове наплавлення є універсальним способом і ши­роко застосовується в наплавленні штампів, різального інстру­менту, рейкових кінців і хрестовин, зубів щелепів каменедроба­рок і екскаваторів, бил розмельних млинів тощо. Для цього найчастіше використовують металеві електроди, які виготовляє промисловість за ГОСТ 10051—62. Щоб дістати наплавлений ме­тал потрібного складу і властивостей, у шихту електродних по­криттів добавляють різні легуючі елементи у вигляді ферохрому, феромарганцю, феросиліцію, графіту тощо, які дають змогу мати наплавлений метал різної твердості (НЯС 25—65) і високої стій­кості проти спрацювання.

Ручне наплавлення здійснюють також вугляними електрода­ми за способом Бенардоса. При цьому використовують порошко­подібні суміші, а саме: сталініт (8% С; 13% Мп; 30% Бі; 18% Сг та ін.), ВОКАР (9,5% С; 85% V/ і ін.); ВИСХОМ-9 (6% С; 15% Мп; 5% Сг; решта — чавунна стружка). Ці сплави застосо­вують для наплавлень високої твердості (НЯС 60—62) і високої стійкості проти спрацювання.

Автоматичне і напівавтоматичне дугове наплавлення здійс­нюють під флюсом, у захисних газах і відкритою дугою, викори­стовуючи зварювальний або спеціальний наплавний дріт, сталь­ну або чавунну стрічку, а також порошкові дроти і стрічки. Останні виготовляють на спеціальних протяжних верстатах із стальних стрічок у вигляді трубчастого матеріалу, який усередині заповнюють різними легуючими компонентами і шлакоутворю­вальними речовинами. Ефективне також автоматичне наплав­лення під флюсом по шару легуючого порошку. Автоматичне і напівавтоматичне наплавлення широко використовують для на- плавлювання колінчастих валів автомобільних і тракторних дви­гунів, валків прокатних станів, кожухів засипних апаратів доменних печей, великого металорізального інструменту, ножів землерийних і дорожніх машин тощо.

Наплавлення газовим полум’ям менш продуктивне, ніж дугове, проте й воно широко застосовується у виробництві і при відновленні різних дрібних деталей з чавуну, сталі, міді, латуні,: бронзи, алюмінію тощо.

Вібродугове наплавлення полягає в тому, що до деталі, яка обертається, через мундштук, що вібрує, подається стальний електродний дріт під струмом. Вібрація дроту здійснюється електромагнітним або механічним вібратором з частотою 50 гц і амплітудою 1,5—2,5 мм. Внаслідок вібрування відбуваються короткі замикання дроту з виробом. Місце контакту нагрівається до високої температури. У момент відривання дроту від виробу частина металу дроту залишається на виробі і розплавляється дугою, що виникає при цьому. До місця наплавлення з мунд­штука під тиском подається рідина, яка охолоджує і загартовує наплавлену поверхню.

Основною перевагою цього способу є можливість створити шар завтовшки лише 1—2 мм, а також незначне короблення на­плавлених деталей. Цей спосіб застосовується при наплавленні циліндричних деталей (осей, валів, шпинделів тощо) автомобі­лів, тракторів, верстатного устаткування та ін. Недоліком його є наявність у наплавленому шарі мікротріщин, яких можна уник­нути, якщо процес вібродугового наплавлення поєднати з на­ступною пластичною деформацією.

Наплавлення струмами високої частоти. На деталь нано­сять шар порошкоподібної легуючої шихти і флюсу або легуючої пасти. Після цього деталь поміщають у магнітне поле індуктора, який живиться від джерела струму високої частоти. Індукційні струми, що виникають, нагрівають до плавлення поверхневий шар деталей і легуючу шихту, яка утворює на деталі рівну поверхню.

Спосіб характеризується незначною глибиною проплавлення основного металу і високою продуктивністю: щоб наплавити 200 см² поверхні, потрібно тільки 2—2,5 хв. Наплавлення стру­мами високої частоти застосовують для створення стійкого про­ти спрацювання шару на деталях, які швидко спрацьовуються ,(ножі дорожніх машин, деталі землерийного устаткування то­що). До недоліків цього способу слід віднести високу вартість генераторів струму високої частоти.

Електрошлакове наплавлення застосовують для наплав­лення плоских поверхонь, зовнішніх і внутрішніх циліндричних поверхонь, а також поверхонь тіл обертання із змінним діамет­ром (конічних тощо), коли треба утворити шар, не менший 8 а 10—12 мм. При цьому для виготовлення шару потрібної тов­щини і форми використовують спеціальні мідні форми (криста­лізатори), охолоджувані водою. Між ними і наплавлюваною деталлю створюють шлакову ванну, в яку подається присадний метал.

Електрошлакове наплавлення відзначається високою продук­тивністю і забезпечує високу якість наплавленого шару. Цим способом можна наплавляти різні високолеговані сталі, а також кольорові метали і сплави (мідь, латунь тощо) на сталь або чавун.

Наплавлення наморожуванням — це новий високопродук­тивний спосіб нанесення наплавлюваного шару на такі деталі, як, наприклад, зуби ковшів екскаваторів, які важко наплавити іншими механізованими способами. При Цьому способі деталь спочатку занурюють у розплавлений флюс (щоб нагріти і очи­стити від окисної плівки), а потім на незначний час — у роз­плавлений метал, який і наноситься («наморожується») на де­таль рівним шаром. Зуб ковша екскаватора наплавлюеться ша­ром завтовшки близько 3 мм за 20—ЗО сек.

Газокисневе різання

Сутність процесу і будова газових різаків. Газокисневе різання грунтується на властивості металу, підігрітого до темпе­ратури займання, згоряти в струмені чистого кисню. Оксиди, що утворюються в процесі горіння металу, струменем кисню виду­ваються з порожнини розрізу. Різанню піддаються не всі метали, а лише ті, які задовольняють такі вимоги: 1) температура зай­мання металу повинна бути нижчою, ніж його температура плавлення; 2) температура плавлення оксидів металу повинна бути нижчою за температуру плавлення самого металу. Цим вимогам найповніше відповідають лише вуглецеві сталі з вмістом вуглецю до 0,7%. Сталі з вищим вмістом вуглецю, а також чаву­ни, високолеговані сталі, кольорові метали і їх сплави не відпо­відають зазначеним вимогам і кисневому різанню звичайним способом не піддаються.

При газокисневому різанні до металу 8, який ріжуть (рис. 118, б), по зовнішньому мундштуку 2 різака, подається горюча суміш, яка при запалюванні утворює підігрівальне полум’я 5. По внутрішньому мундштуку 1 подається струмінь 7 кисню. Ко­ли метал полум’ям 5 нагріється до температури займання (для сталі 1200—1300°С), на нього спрямовується різальний кисень. Метал займається. Горіння супроводиться виділенням значної кількості тепла, яке поширюється в глибину металу і підігріває нижні шари до температури займання. Рідкі оксиди 6, які утво­рюються, видуваються з порожнини розрізу різальним киснем. Переміщаючи різак у потрібному напрямі, метал розрізають. Ефективність кисневого різання залежить від чистоти кисню, ви­трати його за одиницю часу і величини тиску кисню.

Ручне різання здійснюють різаком інжекторного типу (рис. 118, а), що являє собою комбінацію зварювального пальника 4 і трубки 3, по якій подається різальний кисень. Горюча суміш, призначена для підігрівання металу до займання, подається по зовнішньому 2, а різальний кисень — по внутрішньому 1 мундштуках. Ручними різаками при тиску ацетилену 0,001—

ОД 5 Мнім² (0,01—1,5 аг) і тиску кисню 0,3—1,2 Мнім² (3— 12 аг) розрізають сталь завтовшки до 300 мм.

Машинне різання здійснюється за допомогою спеціальних переносних приладів і газорізальних машин. Для цього широко застосовують переносні прилади ПЭЛ-60 з електроприводом, прилади ПВЛ-60 з повітряним приводом та ін., за допомогою -яких розрізають сталь завтовшки 3—100 мм.

Автоматичне різання виконують на газорізальній машині АСШ-2, трирізаковій машині АСШ-70, масштабній газорізальній машині «Одеса» з копіюванням по кресленню, машині МГПР-1 з програмним керуванням та ін. Найчастіше застосовують шар­нірну машину АСШ-2, призначену для вирізування деталей різ­ної конфігурації з листової сталі завтовшки 5—100 мм. Вона працює за принципом магнітного копіювання: обкатуван­ня магнітним пальцем контура нерухомо закріпленого стального копіра.

Для газокисневого різання використовують не тільки аце­тилен, а й інші горючі гази, такі, наприклад, як природ­ний і нафтовий гази, водень, а також рідке паливо—гас і бензин.

Газокисневе різання за якістю і продуктивністю перевищує багато інших способів різання, тому його найбільше застосо­вують. За допомогою спеціальних різаків цим способом можна розрізати сталь завтовшки до 2 м.

Дугове різання

Різання металевим і вугляними електродами грунтується на розплавленні металу дугою і видаленні рідкого металу з по­рожнини розрізу під дією тиску газів дуги і сили ваги розплав­леного металу. Цей спосіб застосовують для різання вуглецевої і нержавіючої сталей, чавуну, алюмінію, міді, латуні та інших металів і сплавів, коли можна не додержуватись точних розмірів і особливої чистоти різання. Використовують вугляні (графітові) і металеві електроди. За допомогою металевих електродів утворюють рівніший і вужчий розріз, ніж при використанні гра­фітових.

Вугляними і графітовими електродами працюють на постій­ному струмі прямої полярності. Розрізуючи сталь або чавун завтовшки 6—100 мм графітовими електродами діаметром 10—15 мм, використовують силу струму в межах 400— 600 а.

Металевими електродами з товстим покриттям ріжуть на постійному і змінному струмах. Для розрізування сталі завтовш­ки 6—50 мм використовують електроди діаметром 4—5 мм і си­лу струму 300—400 а. Покриття цих електродів виготовляють з компонентів, багатих на кисень (марганцева руда, окиси заліза тощо), а також з компонентів, які сприяють активному газоут­воренню (деревне борошно, електродна целюлоза та ін.).

Різновидністю дугового різання е повітряно-дугове, при якому розплавлений дугою метал видувається з порожнини розрізу струменем стисненого повітря. При цьому способі використову­ють графітові електроди.

Різання плазменою дугою.

Рис. 119. Схеми пальників для плазменого різання

Електронною плазмою, або просто плазмою дуги, називають дуже іонізований газ стовпа дуги. Для різання і зварювання використовують плазмену, або високотемпературну, дугу (прямої або непрямої дії), яку ство­рюють стисненням стовпа дуги в струмені аргону, водню, очи­щеного азоту або звичайного повіт­ря в спеціальному плазменому пальнику, який називається плазмо­троном.

Дуга 4 прямої дії (рис. 119, а) горить між вольфрамовим електро­дом 1 (катодом) і виробом 5 (ано­дом). Мідне сопло 3 пальника, через яке подається газ, охолоджують во­дою. Струм до вольфрамового елек­трода підводять через мундштук 2.

Температура плазменої дуги прямої дії досягає ЗО 000 — 40 000° С. Таку дугу використовують для різання кольорових металів і нержавіючої сталі завтовшки до 200 мм.

Дуга непрямої дії (рис. 119, б) горить між вольфрамовим електродом ) і мідним соплом 3 пальника. Тиском струменя газу іонізований газовий потік видувається з сопла пальника у вигляді яскравого концентрованого полум’я 6. його температура досягає 15 000° С 1 вище. Таку дугу використовують для різання і зварювання деяких неметалевих матеріалів.

Останнім часом у плазменому пальнику замість вольфрамо­вого електрода було використано мідний з цирконієвою встав­кою, що дало змогу замінити дорогі аргон, водень і очищений азот повітрям. Електрод з цирконієвою вставкою недорогий, він може працювати до 20 год. Повітряно-плазмене різання металу невеликих товщин забезпечує високу якість різання, а швидкість його в 5 раз перевищує швидкість газокисневого різання

Інформаційні джерела:

1. Технологія конструкційних матеріалів./За ред. А.М. Сологуба. - К.: Вища школа, 1993 –

300 с.

2. Большаков В.І., Береза О.Ю., Харченко В.І. Прикладне матеріалознавство: Підручник. Дніпропетровськ: РВА „Дніпро VAL”.2000 – 290 с.

3. Технология конструкционних материалов. /Г.А. Прейс, М.А. Сологуб, И.А. Рожнецкий/ - К.: Вища школа 1991 – 391 с.

4. Дальский А.М. и др. Технология конструкционных материалов, М.: Машиностроение. 1990 - 351 с.