Во время плавления основной и присадочный металлы сильно перегреваются иногда до температур, близких к температуре кипения. Это приводит к испарению металла и изменению химического состава сплава. Наличие газовой атмосферы вокруг плавящегося металла приводит в ряде случаев к окислению, взаимодействию металла с азотом и растворению в металле газов. Все это изменяет химический состав наплавленного металла, создает в нем окислы и другие неметаллические включения, поры и трещины. Чем чище наплавленный металл, тем выше механические свойства сварного шва.Рисунок 7 Строение сварочного шва (а) и структурные превращения малоуглеродистой стали в зоне термического влияния (б)С целью повышения качества наплавленного металла вокруг жидкого металла создают специальную газовую атмосферу, защищающую его от воздействия воздуха, раскисляют и прикрывают жидкую ванночку специальными шлаками.Строение сварного шва после затвердевания и распределения температуры в малоуглеродистой стали показаны на рисунке 7 - б. Зона I примыкает непосредственно к металлу шва. Основной металл на этом участке в процессе сварки частично расплавляется и представляет собой смесь твердой и жидкой фаз.Наплавленный металл имеет столбчатое (дендритное) крупнозернистое строение, характерное для литой стали. Если наплавленный металл или соседний с ним участок был сильно перегрет, то при охлаждении на этом участке (зона II) зерна основного металла (малоуглеродистой стали) образуют грубоигольчатую так называемую видманштеттовую структуру.Металл этой зоны обладает наибольшей хрупкостью и является самым слабым местом сварного соединения. В зоне III температура металла не превышает 1100 °С. Здесь наблюдается структура нормализованной стали с характерным и мелкозернистым строением. Металл в этой зоне имеет более высокие механические свойства (в сравнении с металлом первых двух зон).В зоне IV происходит неполная перекристаллизация стали, нагретой до температуры, лежащей между критическими точками Ас1и Ac3. На этом участке после охлаждения наряду с крупными зернами феррита образуются мелкие зерна феррита и перлита. В зоне V структурных изменений в стали не происходит, если сталь перед сваркой не подвергалась пластической деформации. В противном случае на этом участке наблюдается рекристаллизация.
В зоне VI сталь не претерпевает видимых структурных изменений. Однако на этом участке наблюдается резкое падение ударной вязкости (синеломкость).Структурные изменения основного металла в зоне термического влияния незначительно отражаются на механических свойствах малоуглеродистой стали при сварке ее любыми способами. Однако при сварке некоторых конструкционных сталей в зоне термического влияния возможно образование закалочных структур, которые резко снижают пластические свойства сварных соединений и часто являются причиной образования трещин.Размеры зоны термического влияния зависят от способа и технологии сварки и рода свариваемого металла. Так, при ручной дуговой сварке стали тонкообмазанными электродами (обмазку применяют в виде покрытия для защиты сварного шва от воздействия внешней среды) и при автоматической сварке стали под слоем флюса размеры зоны термического влияния минимальны (2 — 2,5 мм); при сварке электродами с толстой обмазкой протяженность этой зоны равна 4 — 10 мм, а при газовой сварке — 20 — 25 мм.
Дуговая сварка (Рисунок 8) – это наиболее часто используемый метод для соединения труб магистральных газопроводов. Она основана на принципе возникновении электрической дуги между свариваемой деталью и электродом. При их соприкосновении происходит замыкание. В следствии этого, возникающая большая плотность тока, которая проходит через точку контакта, обеспечивает высокую температуру (более 5000 градусов по Цельсию). На поверхности электрода образуется расплавленный металл, который переходит на свариваемую деталь и смешивается с ее расплавленным материалом.Рисунок 8 Дуговая сварка, труба 1420 ммТолщину слоя металла свариваемого изделия, который перешел в расплавленное состояние, специалисты называют глубиной провара. Она достигает одного-двух миллиметров при ручной сварке. Но автоматическая сварка может обеспечить глубину проварки гораздо больше.Стоит контролировать температуру плавления. Ведь, если разогрев металла будет недостаточным, то соединения не произойдет. Это приведет к неприятным последствиям – непровару, а, следовательно, снижению качества всего соединения. В случае чрезмерного нагрева возможно проникновение воздуха внутрь шва и его выгорание, что также сильно повлияет на прочность стали. Исправить эти огрехи можно только проведя весь процесс подготовки трубы и ее сварки с самого начала и в соответствии с требованиями, которые выдвигаются эксплуатационной и технической документацией.Достаточное напряжение при зажигании сварочной дуги составляет пятьдесят Вольт. В дальнейшем оно снижается до шестнадцати-двадцати пяти Вольт. Сила тока выбирается в зависимости от толщины свариваемых элементов и может равняться от ста пятидесяти до пятисот ампер. При использовании тока из электрической сети используют агрегаты (генераторы и прочее), которые обеспечивают его преобразование до нужной силы и напряжения. Если придерживаться всех требований к проведению дуговой сварки, то можно получить качественный и надежный сварной шов.
Дуговая сварка бывает также автоматической и полуавтоматической (Рисунок 9).Рисунок 9 Автоматическая и полуавтоматическая сварка трубыДля автоматической сварки нужен комплекс машин и механизмов, составляющих единую установку. При этом методе используются не электроды, а проволока из специального материала, которая автоматически подается в зону плавления по мере необходимости.Автоматическая сварка имеет несколько основных преимуществ. Например, длина дуги остается постоянной. Также, возможно применение высокой плотности тока без перегрева проволоки. Все это значительно влияет на итоговое качество сварного шва.Самый распространенный метод автоматического процесса – это сварка под флюсом. Сущность процесса заключается в применении сварочной проволоки и гранулированного флюса. Он насыпается слоем толщиной тридцать -пятьдесят миллиметров перед дугой. Сварка под флюсом получила широкое применение. Для многих отраслей промышленности она является одним из ведущих технологических процессов при производстве сложных конструкций из стали. Столь широкое распространение она получила благодаря обеспечению достаточно крепких сварных соединений без особых временных и финансовых затрат. Но стоит заметить, что требования к ее применению достаточно серьезные.Целесообразно применять автоматическую сварку под флюсом в массовом и серийном производствах, а также для проварки швов протяженностью более восьмидесяти сантиметров. Для этого необходимо использовать агрегаты со свободным входом и выходом сварочной головки для начала и конца шва. Толщина свариваемого металла может быть в диапазоне от трех до ста миллиметров.Основными преимуществами автоматической сварки под флюсом являются:
-
высокая производительность;
-
высокое качество и хороший внешний вид сварочных соединений;
-
снижение расхода электроэнергии и электродного металла.
Но, как любой процесс, автоматическая сварка под флюсом обладает некоторыми недостатками:
-
необходимость более тщательной подготовки кромок;
-
возможность сварки только в горизонтальном положении на полу;
-
невозможность сварки стыковых швов для вертикально расположенных деталей.
Ручная дуговая сварка используется при
сварке труб толщиной стенок от восемнадцати до тридцати двух миллиметров. Естественно, она более трудоемка и требует большого количества квалифицированных кадров. Кроме того, она сравнительно дорога и хуже поддается контролю со стороны. Поэтому ее применение вызвано необходимость, а именно:
-
при невозможности или нецелесообразности использования автоматической дуговой сварки;
-
при специальных сварных соединениях;
-
при устранении дефектов.
Также ее применение нежелательно из-за возможности возникновения значительного количества дефектов. Этому есть несколько причин. Так, например, в процессе сварки стальных газопроводов кислород и азот попадают в жидкий металл и делают структуру наплавленного металла неоднородной и хрупкой, образуются пузырьки и шлаковые включения. Это частично устраняется обмазкой электрода и применением короткой дуги, но полного устранения этого дефекта этим не добиться.Основным
инструментом сварщика служит электродержатель со сварочным проводом. К вспомогательному инструменту относятся маска, слесарный молоток, клеймо, металлическая щетка, зубило, набор шаблонов для уточнения размеров швов и молоток для зачистки шлака.Газовая сварка – это соединение, основанное на процессе плавления высокотемпературным газовым пламенем кромок деталей, в соответствии с определенной технологией. Пламя образуется при горении горючих газов, в соединении с чистым кислородом. Ими могут быть ацетилен, водород, метан, пропан и другие. Существуют четкие требования, которые определяют необходимую температуру и скорость выгорания газа, в зависимости от условий.Существенное отличие газовой сварки от дуговой заключается не только в абсолютно другой технологии процесса, но и в более медленном и плавном нагреве металла. В одних случаях – это недостаток, в других – преимущество. Этим «двуличием» и определены следующие основные области его применения:
-
Для соединения деталей, выполненных из сталей малых толщин (от двух десятых до пяти миллиметров);
-
Для соединения деталей, выполненных из металлов, требующих постепенного мягкого нагрева и замедленного охлаждения;
-
Для соединения деталей, выполненных из цветных металлов;
-
Для соединения деталей, выполненных из металлов, которые требуют подогрева, например, для некоторых видов наплавочных работ или для твердой пайки.