РУЧНАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЭЛЕКТРОДАМИ С ПОКРЫТИЕМ

Под техникой сварки обычно понимают приемы манипулирования электродом, выбор режимов сварки, приспособлений и способы их при­менения для получения качественного шва и т.п. Качество швов зависит не только от техники сварки, но и от других факторов, таких как состав и качество применяемых сварочных материалов, состояние свариваемой поверхности, качество подготовки и сборки кромок под сварку и т.д.

Дуговая сварка металлическими электродами с покрытием в на­стоящее время остается одним из распространенных методов, используе­мых при изготовлении сварных конструкций. Это объясняется простотой и мобильностью применяемого оборудования, возможностью выполне­ния сварки в различных пространственных положениях и в местах, труд­нодоступных для механизированных способов сварки.

Существенный недостаток ручной дуговой сварки металлическим электродом - малая производительность процесса и зависимость качества сварного шва от практических навыков сварщика. В первые годы приме­нения дуговой сварки использовались металлические электроды с тонким ионизирующим покрытием, повышающим стабильность дуги. Однако свойства металла шва при этом были низкими. Поэтому в настоящее время подобные электроды для сварки не применяют.

Сущность способа. К электроду и свариваемому изделию для обра­зования и поддержания сварочной дуги от источников сварочного тока подводится постоянный или переменный сварочный ток (рис. 3.12). Дуга расплавляет металлический стержень электрода, его покрытие и основ­ной металл. Расплавляющийся металлический стержень электрода в виде отдельных капель, покрытых шлаком, переходит в сварочную ванну. В сварочной ванне электродный металл смешивается с расплавленным металлом изделия (основным металлом), а расплавленный шлак всплыва­ет на поверхность.

Глубина, на которую расплавляется основной металл, называется глубиной проплавления. Она зависит от режима сварки (силы сварочного тока и диаметра электрода), пространственного положения сварки, скоро­сти перемещения дуги по поверхности изделия (торцу электрода и дуге сообщают поступательное движение вдоль направления сварки и попереч­ные колебания), от конструкции сварного соединения, формы и размеров разделки свариваемых кромок и т.п. Размеры сварочной ванны зависят от режима сварки и обычно находятся в пределах: глубина до 7 мм, ширина 8 ... 15 мм, длина 10 ... 30 мм. Доля участия основного металла в форми­ровании металла шва (см. гл. 2) обычно составляет 15 ... 35 %.

Расстояние от активного пятна на расплавленной поверхности элек­трода до другого активного пятна дуги на поверхности сварочной ванны называется длиной дуги. Расплавляющееся покрытие электрода образует вокруг дуги и над поверхностью сварочной ванны газовую атмосферу, которая, оттесняя воздух из зоны сварки, препятствует взаимодействиям его с расплавленным металлом. В газовой атмосфере присутствуют также пары основного и электродного металлов и легирующих элементов. Шлак, покрывая капли электродного металла и поверхность расплавленного металла сварочной ванны, способствует предохранению их от кон­такта с воздухом и участвует в металлургических взаимодействиях с рас­плавленным металлом.

Рис. 3.12. Ручная дуговая сварка металлическим электродом с покрытием:

1 - металлический стержень; 2 – покрытие электрода; 3 - газовая атмосфера дуги; 4 - сварочная ванна; 5 - затвердевший шлак; 6 - закристаллизовавшийся металл шва; 7 - основной металл; 8 - капли расплавленного электродного металла; 9 - глубина проплавления

Кристаллизация металла сварочной ванны по мере удаления дуги приводит к образованию шва, соединяющего свариваемые детали. При случайных обрывах дуги или при смене электродов кристаллизация ме­талла сварочной ванны приводит к образованию сварочного кратера (уг­лублению в шве, по форме напоминающему наружную поверхность сва­рочной ванны). Затвердевающий шлак образует на поверхности шва шлаковую корку.

Ввиду того, что от токоподвода в электрододержателе сварочный ток протекает по металлическому стержню электрода, стержень разогревает­ся. Этот разогрев тем больше, чем дольше протекание по стержню сва­рочного тока и чем больше величина последнего. Перед началом сварки металлический стержень имеет температуру окружающего воздуха, а к концу расплавления электрода температура повышается до 500 ... 600°С (при содержании в покрытии органических веществ - не выше 250°С). Это приводит к тому, что скорость расплавления электрода (количество расплавленного электродного металла) в начале и конце различна. Изме­няется и глубина проплавления основного металла ввиду изменения ус­ловий теплопередачи от дуги к основному металлу через прослойку жид­кого металла в сварочной ванне. В результате изменяется соотношение долей электродного и основного металлов, участвующих в образовании металла шва, а значит, и состав и свойства металла шва, выполненного одним электродом. Это - один из недостатков ручной дуговой сварки покрытыми электродами.

Зажигать дугу можно двумя способами. При одном способе электрод приближают вертикально к по­верхности изделия до касания металла и быстро отводят вверх на необ­ходимую длину дуги. При другом - электродом вскользь "чиркают" по поверхности металла. Применение того или иного способа зажигания дуги зависит от условий сварки и от навыка сварщика.

Длина дуги зависит от марки и диаметра электрода, пространствен­ного положения сварки, разделки свариваемых кромок и т.п. Нормальная длина дуги считается в пределах L_д = (0,5 ... 1,1)d_эл (d_эл - диаметр элек­трода). Увеличение длины дуги снижает качество наплавленного металла шва ввиду его интенсивного окисления и азотирования, увеличивает потери металла на угар и разбрызгивание, уменьшает глубину проплавления основного металла. Также ухудшается внешний вид шва.

Во время ведения процесса сварщик обычно перемещает электрод не менее чем в двух направлениях. Во-первых, он подает электрод вдоль его оси в дугу, поддерживая необходимую в зависимости от скорости плавления электрода длину дуги. Во-вторых, перемещает электрод в на­правлении наплавки или сварки для образования шва. В этом случае об­разуется узкий валик, ширина которого при наплавке равна примерно (0,8 ... 1,5) d_эл и зависит от силы сварочного тока и скорости перемеще­ния дуги по поверхности изделия. Узкие валики обычно накладывают при проваре корня шва, сварке тонких листов и тому подобных случаях.

При правильно выбранном диаметре электрода и силе сварочного то­ка скорость перемещения дуги имеет большое значение для качества шва. При повышенной скорости дуга расплавляет основной металл на малую глубину и возможно образование непроваров. При малой скорости вслед­ствие чрезмерно большого ввода теплоты дуги в основной металл часто образуется прожог, и расплавленный металл вытекает из сварочной ванны. В некоторых случаях, например при сварке на спуск, образование под ду­гой жидкой прослойки из расплавленного электродного металла повышен­ной толщины, наоборот, может привести к образованию непроваров.

Иногда сварщику приходится перемещать электрод поперек шва, регулируя тем самым распределение теплоты дуги поперек шва для по­лучения требуемых глубины проплавления основного металла и ширины шва. Глубина проплавления основного металла и формирование шва главным образом зависят от ви­да поперечных колебаний элек­трода, которые обычно совер­шают с постоянными частотой и амплитудой относительно оси шва (рис. 3.13).

При сварке с поперечными колебаниями получают уширенный валик, ширина кото­рого обычно составляет (2 ... 4) d_эл, а форма проплавления зависит от тра­ектории поперечных колебаний конца электрода, т.е. от условий ввода теплоты дуги в основной металл.

Рис. 3.13. Траектории выполнения сварки

По окончании сварки - обрыве дуги следует правильно заварить кратер. Кратер является зоной с наибольшим количеством вредных примесей ввиду повышенной скорости кристаллизации металла, поэтому в нем наиболее вероятно образование трещин. По окончании сварки не следует обрывать дугу, резко отводя электрод от изделия. Необходимо прекратить все перемещения электрода и медленно удлинять дугу до об­рыва; расплавляющийся при этом электродный металл заполнит кратер. При сварке низкоуглеродистой стали кратер иногда выводят в сторону от шва - на основной металл. При случайных обрывах дуги или при смене электродов дугу возбуждают на еще не расплавленном основном металле перед кратером и затем проплавляют металл в кратере.

Положение электрода относительно поверхности изделия и про­странственное положение сварки оказывают большое влияние на форму шва и проплавление основного металла (рис. 3.14). При сварке углом на­зад улучшаются условия оттеснения из-под дуги жидкого металла, тол­щина прослойки которого уменьшается. При этом улучшаются условия теплопередачи от дуги к основному металлу и растет глубина его про­плавления. То же наблюдается при сварке шва на подъем на наклонной или вертикальной плоскости. При сварке углом вперед или на спуск рас­плавленный металл сварочной ванны, подтекая под дугу, ухудшает теп­лопередачу от нее к основному металлу - глубина проплавления умень­шается, а ширина шва возрастает (сечения швов на рис. 3.14).

Рис. 3.14. Способы выполнения сварки:

а - углом назад; б - углом вперед; в - на подъем; г-на спуск

При прочих равных условиях количество расплавляемого электродно­го металла, приходящегося на единицу длины шва, остается постоянным, но распределяется на большую ширину шва и поэтому высота его выпук­лости уменьшается. При наплавке или сварке тонколистового металла (толщина до 3 мм) для уменьшения глубины провара и предупреждения прожогов рекомендуется сварку выполнять на спуск (наклон до 15°) или углом вперед без поперечных колебаний электрода.

Для сборки изделия под сварку (обеспечения заданного зазора в сты­ке, положения изделий и др.) можно применять специальные приспособле­ния или короткие швы - прихватки. Длина прихваток обычно составляет 20 ... 120 мм (больше при более толстом металле) и расстояние между ни­ми 200 ... 1200 мм (меньше при большей толщине металла для увеличения жесткости). Сечение прихваток не должно превышать 1/3 сечения швов. При сварке прихватки необходимо полностью переплавлять.

Техника сварки в нижнем положении. Это пространственное по­ложение позволяет получать сварные швы наиболее высокого качества, так как облегчает условия выделения неметаллических включений, газов из расплавленного металла сварочной ванны. При этом также наиболее благоприятны условия формирования металла шва, так как расплавлен­ный металл сварочной ванны от вытекания удерживается не расплавившейся частью кромок.

Стыковые швы сваривают без скоса кромок или с V-, Х- и U-образным скосом. Положение электрода относительно поверхности изделия и готового шва показано на рис. 3.15. Стыковые швы без скоса кромок в зависимости от толщины сваривают с одной или двух сторон. При этом концом электрода совершают попе­речные колебания с амплитудой, определяемой требуе­мой шириной шва. Следует тщательно следить за равномерным расплав­лением обеих свариваемых кромок по всей их толщине и особенно стыка между ними в нижней части (корня шва).

Рис. 3.15. Положение электрода при сварке в нижнем положении:

а - поперек оси шва; б — сбоку

Однопроходную сварку с V-образным скосом кромок обычно вы­полняют с поперечными колебаниями электрода на всю ширину разделки для ее заполнения так, чтобы дуга выходила со скоса кромок на необра­ботанную поверхность металла. Однако в этом случае очень трудно обеспечить равномерный провар корня шва по всей его длине, особенно при изменении величины притупления кромок и зазора между ними.

При сварке шва с V-образным скосом кромок за несколько проходов обеспечить хороший провар первого слоя в корне разделки гораздо легче. Для этого обычно применяют электроды диаметром 3 ... 4 мм и сварку ведут без поперечных колебаний. Последующие слои выполняют в зави­симости от толщины металла электродом большего диаметра с попереч­ными колебаниями. Для обеспечения хорошего провара между слоями предыдущие швы и кромки следует тщательно очищать от шлака и брызг металла.

Заполнять разделку кромок можно швами с шириной на всю раздел­ку или отдельными валиками (рис. 3.16). В многопроходных швах по­следний валик (11 на рис. 3.16, в) для улучшения внешнего вида иногда можно выполнять на всю ширину разделки (декоративный слой).

Сварку швов с Х- или U-образным скосом кромок выполняют в об­щем так же, как и с V-образным скосом. Однако для уменьшения оста­точных деформаций и напряжений, если это возможно, сварку ведут, на­кладывая каждый валик или слой попеременно с каждой стороны. Швы с Х- или U-образным скосом кромок по сравнению с V-образным имеют преимущества, так как в первом случае в 1,6 ... 1,7 раза уменьшается объем наплавленного металла (повышается производительность сварки). Кроме того, уменьшаются угловые деформации, а возможный непровар корня шва образуется в нейтральном по отношению к изгибающему мо­менту сечении. Недостаток U-образного скоса кромок - повышенная тру­доемкость его получения.

Рис. 3.16. Поперечные сечения стыковых швов:

а - однопроходных; б - многослойных; в - многопроходных;

I-VI-слои; 1-11 - проходы

Рис. 3.17. Схемы сварки:

а - на весу; б - на остающейся стальной подкладке; в - с предварительным подварочным швом; г - удаление непровара в корне шва для последующей подварки; О- основной шов; П- подваренный шов.

Сварку стыковых швов можно выполнять различными способами (рис. 3.17). При сварке на весу наиболее труд­но обеспечить провар корня шва и формирование хорошего обратного валика по всей дли­не стыка. Требуется большой опыт сварщика для обеспече­ния провара корня шва и пре­дупреждения прожогов. Для этого применяют электроды малого диаметра, что снижает производительность сварки. В тех случаях, когда имеется доступ к стыку с обеих сторон, возможно применение подкладок: ос­тающейся стальной и съемных медной, керамической, стекловолоконной. Для предупреждения вытекания расплавленного металла из сварочной ванны необходимо плотное поджатие их к свариваемым кромкам. Креп­ление съемных подкладок под стыком осуществляется различными спо­собами: с помощью магнитов, клиньев, самоклеящейся алюминиевой ленты и др.

Применение подкладок позволяет использовать для сварки корневого шва электроды повышенного диаметра и, значит, увеличенного сварочного тока. Однако остающиеся подкладки увеличивают расход металла и не всегда технологичны. При использовании медных подкладок возникают трудности точной установки кромок вдоль формирующей канавки.

Если с обратной стороны возможен подход к корню шва и допусти­ма выпуклость обратной стороны шва, целесообразна подварка корня швом небольшого сечения с последующей укладкой основного шва (рис. 3.17, в). В некоторых случаях при образовании непроваров в корне шва после сварки основного шва дефект в корне разделывают газовой, воз­душно-дуговой строжкой или механическими методами (рис. 3.17, г) с последующим выполнением подварочного шва.

Сварку угловых швов в нижнем положении можно выполнять двумя приемами. Сварка вертикальным электродом в лодочку (рис. 3.18, а) обеспечивает наиболее благоприятные условия для провара корня шва и формирования его выпуклости. По существу, этот прием напоминает сварку стыковых швов с V-образным скосом кромок, так как шов форми­руется между свариваемыми поверхностями.

Рис. 3.18. Положение электрода и изделия при сварке:

а — в лодочку; б — наклонным электродом; в - внахлестку; г - углового соединения

Однако при этом способе требуется тщательная сбор­ка соединения под сварку с минимальным зазором в стыке для предупреждения вытекания из него расплав­ленного металла.

При сварке наклон­ным электродом (рис. 3.18, 6 - г) трудно обеспе­чить провар шва по нижней плоскости (ввиду натекания на нее расплавленного ме­талла) и предупредить под­рез на вертикальной плос­кости (ввиду отекания рас­плавленного металла). По­этому таким способом обычно сваривают швы с катетом 6 ... 8 мм. При сварке угловых швов на­клонным электродом труд­но также обеспечить глу­бокий провар в корне шва, поэтому в односторонних или двусторонних швах без скоса кромок может образоваться непровар (рис. 3.19, а), который при нагружении шва послужит началом развития трещин. Для предупреж­дения этого в ответственных соединениях при толщине металла 4 мм и более необходим односторонний скос, а при толщине 12 мм и более -двусторонний скос кромок.

При сварке наклонным электродом многопроходных швов первым выполняют шов на горизонтальной плоскости (рис. 3.19, б). Формирова­ние последующего валика происходит с частичным удержанием расплав­ленного металла сварочной ванны нижележащим валиком. При сварке угловых швов применяют поперечные колебания электрода. Особенно важен правильный выбор их траектории при сварке наклонным электродом с це­лью предупреждения возникновения указанных выше дефектов.

Рис. 3.19. Сварка угловых швов:

1-6 - последовательность наложения швов

Сварка швов в положениях, отличающихся от нижнего, требует повы­шенной квалификации сварщика в связи с возможным под действием сил тяжести вытеканием расплавленного металла из сварочной ванны или падением капель электродного металла мимо сварочной ванны. Для пре­дотвращения этого сварку следует вести по возможности наиболее ко­роткой дугой, в большинстве случаев с поперечными колебаниями.

Расплавленный металл в сварочной ванне от вытекания удерживает­ся в основном силой поверхностного натяжения. Поэтому необходимо уменьшать размер сварочной ванны, для чего конец электрода периоди­чески отводят в сторону от ванны, давая возможность ей частично закри­сталлизоваться. Ширину валиков также уменьшают до двух-трех диамет­ров электродов. Применяют пониженную на 10 ... 20 % силу тока и элек­троды уменьшенного диаметра (для вертикальных и горизонтальных швов не более 5 мм, для потолочных не более 4 мм).

Сварку вертикальных швов можно выполнять на подъем (снизу вверх, рис. 3.20, а) или на спуск. При сварке на подъем нижележащий закристаллизовавшийся металл шва помогает удержать расплавленный металл сварочной ванны. При этом способе облегчается возможность провара корня шва и кромок, так как расплавленный металл стекает с них в сварочную ванну, улучшая условия теплопередачи от дуги к основному металлу. Однако внешний вид шва - грубочешуйчатый. При сварке на спуск получить качественный провар трудно: шлак и расплавленный ме­талл подтекают под дугу и от дальнейшего стекания удерживаются толь­ко силами давления дуги и поверхностного натяжения. В некоторых слу­чаях их оказывается недостаточно, и расплавленный металл вытекает из сварочной ванны.

Рис. 3.20. Положение электрода при сварке швов:

а - вертикальных; б - потолочных; в - горизонтальных

Сварка горизонтальных стыковых швов (рис. 3.20, в) более затруд­нена, чем вертикальных, из-за стекания расплавленного металла из сварочной ванны на нижнюю кромку. В результате возможно образование подреза по верхней кромке. При сварке металла повышенной толщины обычно делают скос только одной верхней кромки, нижняя помогает удерживать расплавленный металл в сварочной ванне. Сварка горизон­тальных угловых швов в нахлесточных соединениях не вызывает трудно­стей и по технике не отличается от сварки в нижнем положении.

Сварка швов в потолочном положении (рис. 3.20, б) наиболее слож­на и ее по возможности следует избегать. Сварку выполняют периодиче­скими короткими замыканиями конца электрода на сварочную ванну, во время которых металл сварочной ванны частично кристаллизуется, что уменьшает объем сварочной ванны. В то же время расплавленный элек­тродный металл вносится в сварочную ванну. При удлинении дуги обра­зуются подрезы. При сварке этих швов ухудшены условия выделения из расплавленного металла сварочной ванны шлаков и газов. Поэтому свойств металла шва несколько ниже, чем при сварке в других простран­ственных положениях.

Техника сварки прорезных соединений практически не отличается от рассмотренной выше техники сварки стыковых или угловых швов.

В зависимости от протяженности шва, толщины и марки металла, жесткости конструкции и т.д. применяют различные приемы последова­тельности сварки швов и заполнения разделки (рис. 3.21). Они позволяют уменьшить деформации и остаточные сварочные напряжения. Сварку напроход обычно применяют при сварке коротких швов (до 500 мм).

Швы длиной до 1000 мм лучше сваривать от середины к концам или об-ратноступенчатым методом. При последнем способе весь шов разбивают на участки по 150 ... 200 мм, которые должны быть кратны длине участка, наплавляемого одним электродом. Сварку швов в ответственных кон­струкциях большой толщины выполняют блоками, каскадом или горкой, что позволяет влиять на структуру металла шва и сварного соединения и его механические свойства.

-

Рис. 3.21. Сварка швов:

а - напроход; б - от середины к концам; в - обратноступенчато; г - блоками; д - каскадом; е - горкой. Стрелками указаны последовательность и направление сварки в каждом слое (1-5)