Сварка порошковой проволокой |
 |
Специальные случаи применения порошковой проволоки
К специальным относятся случаи применения порошковой проволоки, когда условия сварки и требования к сварному соединению вызывают необходимость применения специальной аппаратуры и техники сварки, а часто и порошковой проволоки с особыми свойствами.
Ниже рассмотрены примеры специального применения порошковой проволоки.
Сварка вертикальных швов с принудительным формированием. Вертикальные швы на металле средней толщины (8—30 мм) свариваются в основном вручную покрытыми электродами. В последнее время все большее распространение получает полуавтоматическая газоэлектрическая сварка тонкой проволокой со свободным формированием шва. Принудительное формирование кристаллизующейся поверхности сварочной ванны позволяет резко поднять силу тока, увеличить скорость подачи электродной проволоки и повысить производительность процесса. Этот метод в сочетании с электрошлаковым процессом получил большое распространение в промышленности и строительстве.
Электрошлаковой сваркой соединяют в основном металл толщиной 20—30 мм и более. Для меньших толщин электрошлаковый процесс не всегда целесообразен.
Для устойчивости электрошлакового процесса нужна шлаковая ванна определенного объема. При малой толщине металла это требует значительного увеличения зазора между кромками. Так, например, при сварке листов толщиной б = 18 мм зазор составляет 25—30 мм. В связи с этим приходится тратить большое количество присадочной проволоки, скорость сварки снижается. Основной металл, находясь длительное время в непосредственном контакте со шлаковой ванной, перегревается, его механические свойства ухудшаются. Для восстановления же этих свойств в некоторых случаях требуется дорогостоящая термообработка соединений. Часто ее осуществить нельзя, поэтому приходится отказываться от электрошлаковой сварки.
Дуговая сварка под флюсом вертикальных швов с принудительным формированием распространения не получила из-за неустойчивости процесса, большого разбрызгивания, сложности дозировки флюса, шунтирования дуги шлаком, вызывающего непровары , и пр.
В ИЭС им. Е. О. Патона разработан новый способ электродуговой сварки вертикальных швов с принудительным формированием порошковой проволокой.
Сущность способа заключается в следующем (см. рис. 3). В зазор, образованный кромками изделий, подается порошковая проволока. Дуга горит между концом проволоки и ванной жидкого металла (или выводной подкладкой в начале процесса).
За счет тепла, выделяющегося при излучении дуги, и тепла металлической ванны оплавляются кромки изделий, жидкий металл стекает в зазор, создавая с переплавленным электродным металлом общую сварочную ванну. Расплавленный электродный металл и сварочная ванна защищены от влияния атмосферы шлаком и газом, выделяющимся при расплавлении шлакообразующих и разложении газообразующих составляющих сердечника порошковой проволоки. Ванна покрыта тонким слоем шлака, ее свободная поверхность искусственно охлаждается медными ползунами либо подкладками. Это способствует хорошему формированию шва и препятствует растеканию жидкого металла ванны.
Шлакообразующие компоненты вводятся в проволоку в количествах, необходимых для образования слоя шлака между швом и ползуном (подкладкой) и небольшого слоя шлака для защиты металлической ванны. Глубина шлаковой ванны регулируется благодаря специальной конструкции ползуна.
Сварка вертикальных швов с принудительным формированием может выполняться порошковой проволокой с дополнительной защитой углекислым газом (см. рис. 3 а). При этом отпадает необходимость вводить газообразующие материалы в проволоку и упрощается ее конструкция. Защитный газ подается в зону сварки через сопло, крепящееся на подвеске ползуна и перемещающееся вместе с ползуном.
В зависимости от требований, предъявляемых к сварному соединению, для принудительного охлаждения и формирования шва могут применяться водоохлаждаемые ползуны, ползун с медной подкладкой, остающаяся подкладка с ползуном и др. Описанными способами можно выполнять стыковые и угловые швы с отклонением от вертикали до 45°.
Для сварки металла толщиной до 30 мм порошковой проволокой с принудительным формированием применяются специализированные аппараты А-1150. Безрельсовый аппарат А-1150 (см. рис. 109) состоит из нескольких легко соединяемых блоков. Он удобен в монтажных условиях.
Для сварки порошковой проволокой с принудительным формированием можно использовать аппараты, предназначенные для электрошлаковой сварки вертикальных швов, например А-433; требуются лишь незначительные переделки ползунов.
Техника дуговой сварки аналогична электрошлаковой, по онр проще, поскольку оператор имеет возможность непосредственно наблюдать за направлением проволоки и состоянием ванны. При потере ванны шлака процесс не нарушается. Случайные остановки не опасны. При возобновлении процесса дефекты в швах не наблюдаются даже при толщине металла 50 мм.
Для сварки с принудительным формированием применяется самозащитная порошковая проволока карбонатно-флюоритного типа ПП-АНЗС или ПП-АН7. Характеристика ее приведена в параграфе 10.
= 400 :450 а, с/д =244-
:27 в. При
зазоре между кромками 10—12 мм это обеспечивает скорость сварки вертикального шва 4—7 м/ч, что значительно превышает скорость сварки со свободным формированием металла такой толщины. Например, при выполнении вертикального стыкового соединения из металла толщиной 20 мм скорость сварки электродами УОНИ-13/55 диаметром 4 мм составила 0,4—0,5 ж/ч; при газоэлектрической сварке проволокой Св-08Г2С диаметром 1,6 мм со свободным формированием—0,8—1,0 м/ч; при сварке порошковой проволокой ПП-АНЗС, с принудительным формированием— 4,0—4,2 м/ч.
Наружная поверхность швов близка по форме к рабочей поверхности формирующего ползуна или подкладки. Сечение шва имеет, как правило, прямоугольную или бочкообразную форму (рис. 122). Благоприятное направление роста кристаллов обеспечивает малую склонность к образованию горячих трещин.
Поскольку высокая температура воздействует на основной металл небольшой промежуток времени, размеры зоны термического влияния малы и рост зерен не успевает произойти. Ударная вязкость металла в зоне термического влияния достаточно велика. Сведения о механических свойствах металла шва и зоны термического влияния сварных соединений, выполненных на малоуглеродистой конструкционной и низколегированных сталях проволокой ПП-АНЗС, приведены в табл. 66. Эти данные свидетельствуют о том, что вертикальные швы, выполненные открытой дугой порошковой проволокой, обладают высокими механическими свойствами.
Сварка с дополнительной защитой углекислым газом выполняется порошковой проволокой ПП-АН5 (разработана в ИЭС
=400-н500 а, £/д = 23 -f - 25 в, расход углекислого газа 10—25 л/мин. При зазорах между кромками 9—11 мм, толщине металла 14—20 мм скорость сварки этой проволокой достигает 6—7 м1ч. При толщине 8—14 мм скорость сварки несколько выше. Химический состав наплавленного металла находится в следующих пределах: 0,8— 1,3% Мп , 0,2—0,5% Si , не более 0,12% С, менее 0,03% S и Р (каждого). Дополнительная защита зоны дуги углекислым газом позволяет получить при использовании этой проволоки высокие механические свойства металла шва и сварного соединения при однопроходной сварке (табл. 67). Результаты испытаний свидетельствуют о том, что даже при толщине 90 мм (сварка одним электродом с поперечными колебаниями) свойства швов достаточно высоки.
В некоторых случаях для получения высоких механических свой ств пр именяют многопроходную сварку.
Для получения качественного соединения необходимо обеспечивать постоянство зазора по высоте стыка и не допускать большой разностенности стыкуемого металла (более 2 мм). При сборке монтажных стыков используют скобы, гребенки и другие приспособления. В конце стыка сварной шов, как правило, выводится на специально приваренную при сборке планку.
При сварке порошковой проволокой образуется меньшее количество шлака, чем при сварке под флюсом. При необходимости избыток шлака сливают через ползун, не допуская при этом слива металла.
После случайной остановки процесс сварки продолжают следующим образом. Опускают ползун так, чтобы участок окончания шва был снаружи. После возбуждения дуги сливают металл до уровня ползуна и включают ход аппарата для продолжения сварки. Такая техника исключает наличие несплавлений и шлаковых включений в месте остановки.
Возможность непосредственного наблюдения за зоной горения дуги позволяет корректировать направление электрода, благодаря чему исключаются дефекты формирования.
Необходимо в процессе сварки следить за прилеганием ползунов к поверхности металла, не допуская их отставания, так как это может привести к потере жидкого металла сварочной ванны и появлению дефектов в шве.
Регулирование режима в основном производят за счет напряжения дуги. С увеличением толщины металла необходимо несколько увеличивать напряжение дуги. Увеличение напряжения дуги при заданной толщине металла приводит к увеличению ширины проплавления .
Вылет рекомендуется поддерживать около 30 мм. При чрезмерном увеличении вылета перегревается проволока и нарушается устойчивость горения дуги.
Короткий вылет приводит к быстрому выходу из строя наконечника мундштука.
Размеры шва и скорость сварки в значительной степени зависят от величины зазора и интенсивности охлаждения металла. При большом зазоре уменьшается скорость сварки и скорость кристаллизации ванны. Это снижает ударную вязкость металла шва и зоны термического влияния.
Сварка вертикальных швов ведется на постоянном токе обратной полярности. Соблюдение относительного постоянства зазора между кромками, отсутствие больших депланаций при сборке, а также точная настройка режима сварки являются основными условиями получения качественного соединения.
Сварка вертикальных швов порошковой проволокой с принудительным формированием рекомендуется для изготовления конструкций из низкоуглеродистых конструкционных и низколегированных сталей в заводских и монтажных условиях.
На монтаже предпочтительно применение сварки проволокой двухслойной конструкции без дополнительной защиты углекислым газом, в заводских условиях целесообразно использовать проволоку с дополнительной газовой защитой.
Использование способа сварки в углекислом газе на монтаже возможно лишь в случае принятия специальных мер защиты зоны сварки от ветра.
Применение сварки порошковой проволокой с принудительным формированием для металла толщиной 8—30 мм позволяет повысить производительность труда и улучшить качество сварных конструкций. За рубежом сварка порошковой проволокой вертикальных швов с принудительным формированием применяется только с дополнительной защитой углекислым газом.
Сварка горизонтальных швов с полупринудительным формированием. Производительность сварки горизонтальных швов со свободным формированием покрытыми электродами, в защитных газах и под флюсом мала, так как применяемые силы тока невелики. Повышение силы тока приводит к стеканию металла сварочной ванны и недопустимому ухудшению формирования швов.
Сварка под флюсом горизонтальных швов с принудительным формированием не нашла применения из-за сложной техники сварки, нестабильного качества.
Принудительное формирование шва в сочетании со сваркой в углекислом газе упрощает процесс, делает его более удобным. Тем не менее использование проволоки сплошного сечения не всегда позволяет получить хороший внешний вид, имеют место случаи схватывания металла с ползуном, сдувания струи защитного газа, приводящего к пористости при выполнении сварки в монтажных условиях.
В Институте электросварки им. Е. О. Патона разработан способ сварки горизонтальных швов самозащитной порошковой проволокой с полупринудительным формированием, лишенный многих названных выше недостатков. Благодаря возможности применения самозащитной порошковой проволоки этот способ очень ценен в условиях монтажа. Сущность способа ясна из схемы, приведенной на рис. 123. Наличие шлаковой пленки при использовании порошковой проволоки предупреждает схватывание жидкого металла с ползуном.
Полупринудительное формирование предусматривает частичное удержание жидкой сварочной ванны скользящим или перекатывающимся гусеничным ползуном.
Для получения нормального формирования необходимо обеспечить условие равновесия сил, действующих на сварочную ванну, в частности давления дуги, силы поверхностного натяжения и массы металла жидкой ванны. При сварке горизонтальных швов основными параметрами, определяющими соотношение этих сил, являются мощность сварочной дуги, величина силы натяжения и, в определенной мере, угол наклона поверхности кристаллизации сварочной ванны.
Наличие ползуна ограничивает массу и размеры свободной части ванны и дает возможность увеличивать мощность сварочной дуги, а следовательно, и производительность сварки.
Форма и размеры разделки кромок горизонтальных стыков определяются толщиной металла. Для металла толщиной 20 мм
целесообразна V-образная разделка кромок с углом раскрытия 40°, К-образная разделка с раскрытием кромок в 40" с каждой стороны рекомендуется для металла толщиной 40 мм.
Для металла бблыних толщин, например 100 мм, рекомендуется щелевидная разделка с углом раскрытия 30—35°. При сварке горизонтальных швов с полупринудительным формированием может быть использована самозащитная порошковая проволока ПП-АН7 и ПП-АНЗС.
Сварка одной дутой проволокой ПП-АНЗС производится на токах до 500 а, а двумя дугами — на токах до 900 а. Сварку проволокой ПП-АН7 диаметром 2,3 мм целесообразно производить двумя дугами на токах до 700 а. Увеличение силы тока при однодуговой сварке достигается применением дополнительной защиты зоны плавления углекислым газом.
Металл толщиной 20 мм сваривают в три слоя. При однодуговом процессе скорость сварки первого и второго слоев составляет около 10 м/ч. Заключительный, так называемый переходной, валик выполняется со скоростью около 16 м/ч. При двудуговом процессе скорость сварки достигает 30 м/ч. Металл толщиной 100 мм сваривают за 9—10 проходов. Качество сварного соединения высокое. На рис. 124 показан макрошлиф стыкового соединения, а в табл. 68 приведены сведения о механических свойствах металла горизонтальных швов и сварного соединения, выполненных самозащитной проволокой ПП-АН7 и ПП-АНЗС на стали 09Г2С толщиной 20 мм.
Для выполнения горизонтальных швов на вертикальной плоскости порошковой проволокой с полупринудительным формированием в Институте электросварки им. Е. О. Патопа разработан специализированный сварочный аппарат типа Л-1325.
Применение описанного способа сварки особенно эффективно на конструкциях с горизонтальными швами большой протяженности, например, при сварке цилиндрических резервуаров, кожухов доменных печей, корпусов морских судов и т. п.
Сварка электрозаклепками. Применение электрозаклепок при изготовлении металлоконструкций целесообразно с точки зрения уменьшения коробления изделий, повышения производительности работ. Для некоторых видов металлоконструкций соединение электрозаклепками обязательно.
Известны примеры выполнении электрозаклепок самозащитой порошковой проволокой.
Проволока обеспечивает
глубокий провар металла и высокую стойкость против пор.
Форма получаемой заклепки, глубина провара определяются режимом сварки. При необходимости увеличить проплавление металла варят на минимальном напряжении дуги и коротком вылете электрода.
Процесс сварки выполняется следующим образом. После установки заклепочника на место соединения возбуждается дуга и включается подача проволоки с заданной скоростью. По истечении установленного интервала подача проволоки прекращается и дуга горит до естественного обрыва. Такое окончание сварки обеспечивает получение благоприятной формы головки заклепки. Время горения дуги почти линейно влияет на основные параметры заклепки, вызывая наибольшие изменения ее диаметра.
Для сварки электрозаклепками используется проволока диаметром 2,0; 2,5; 2,8 и 3,0 мм. Проволокой диаметром 2,0 мм можно производить сварку в различных пространственных положениях, однако форма заклепок при этом несколько ухудшается. Выбор диаметра проволоки определяется также толщиной свариваемого металла. Рекомендации по выбору проволоки различных диаметров в зависимости от толщины элементов свариваемых электрозаклепками приведены в табл. 69.
Металлические элементы равной толщины рекомендуется сваривать с медной или алюминиевой подкладкой. Приварку тонкого листа к толстому можно производить без подкладок. При толщине верхнего элемента более 6 мм требуется прокол его под заклепку.
Сварка выполняется во всех случаях на постоянном токе обратной полярности. Типичные режимы сварки для металла различных толщин приведены в табл. 70.< /p>
Электрозаклепочник может быть смонтирован на базе серийных полуавтоматов. Головка заклепочника имеет на мундштуке специальную опорную насадку. Эта насадка изолирована от мундштука и имеет отверстия для отвода образующихся газов и наблюдения за направлением проволоки при установке.
Сварка электрозаклепками используется в основном для соединения листовых элементов. Испытания механических свойств соединений, выполненных электрозаклепками порошковой проволокой, показали хорошие результаты.
Для листов 0,8 + 0,8 мм разрушающая нагрузка на срез составила 610—700 кг, а на отрыв— ПО — 130 кг; для листов 4,0 + +4,0 мм— на срез 2000—3700 ка , на отрыв—2100—2800 кг. Подобные показатели получаются при испытаниях электрозаклепок, выполненных под флюсом или в углекислом газе. Однако сварка самозащитной порошковой проволокой более проста и надежна.
Ванная сварка арматуры железобетонных конструкций. Задача механизации изготовления и монтажа арматурных и железобетонных конструкций весьма актуальна в связи со все увеличивающимся объемом сварочных работ в строительстве. Решается она многими средствами, среди которых уже завоевал себе хорошую репутацию способ ванной сварки арматуры самозащитной порошковой проволокой.
Порошковой проволокой успешно свариваются арматурные стали марок С т. 5, 18Г2С, 25Г2С, 35Г2. Сварка выполняется в медных или графитовых инвентарных формах или с остающимися подкладками. Используется самозащитыая проволока с сердечником карбонатно-флюоритового типа марок ПП-АНЗ и ЭПС-15.
. Сварка стыков вертикально расположенной арматуры ведется на более умеренных режимах.
Техника сварки арматуры порошковой проволокой довольно проста. Сварка горизонтально расположенной арматуры производится с использованием возвратно-поступательного движения проволоки вдоль свариваемых кромок. Окончание сварки выполняют короткими обрывами дуги и кольцеобразным движением проволоки в районе центральной части сварочной ванны. Таким образом предупреждается образование большой усадочной раковины.
Сварку вертикально расположенных стержней начинают при большом вылете проволоки (60—70 мм), а затем его снижают до рекомендуемого. Важно обеспечить плавный переход от шва к стержню, что достигается изменением угла наклона проволоки. Усиление в конце шва делают в пределах 2—4 мм.
Ванная сварки порошковой проволокой ПП-АНЗ обеспечивает получение швов без дефектов с мелкозернистой структурой металла. Рост зерна наблюдается в околошовной зоне, по которой, как правило, происходят разрушения при испытаниях.
Сварные соединения, выполненные ванной сваркой с применением проволоки ПП-АНЗ, имеют достаточно высокую прочность: при сварке стержней из стали 35ГС — не ниже 50 кГ /мм*, из стали С т. 5— не ниже 42 кГмм2, что отвечает требованиям ГОСТ 10922—54 Арматура и закладные детали сварные для железобетонных конструкций.
Ударная вязкость сварных арматурных соединений высока и для соединения горизонтальных стержней колеблется в пределах 8—12 кГм /см2, и для соединений вертикальных стержней —в пределах 10—18 кГм /см".
При сварке вертикально расположенных стержней проволокой ЭПС-15 рекомендуется V-образная разделка для диаметров до 40 мм и К-обраэная — для больших диаметров. При сборке стыков применяют скобы-подкладки, технологические планки и козырьки.
Производительность труда при замене ручной сварки полуавтоматической с применением порошковой проволоки возрастает в два — четыре раза. Кроме того, сокращаются потери электродных материалов.
Сварка теплообменных аппаратов. Важнейшей проблемой в изготовлении теплообменных аппаратов является приварка трубок к трубным решеткам. Значительный объем этих работ до настоящего времени выполняется вручную покрытыми электродами.
В тех случаях, когда допускается кантовка теплообменника, можно успешно применять автоматическую сварку самозащитной порошковой проволокой.
марки Г1П-АН6. Проволока изготовляется диаметром 2,5 и 2,8 мм.
Сварка производится специализированным аппаратом А-946 (см. рис. ПО ) со скоростью до 80 м/ч. Процесс сварки отличается большой надежностью, простотой и высокой производительностью. Переход аппарата с одной трубки на другую производится без участия оператора. Центровка аппарата осуществляется с помощью специальной пробки. На рис. 125 приведена трубная решетка. Обварка труб порошковой проволокой ГШ-АН6 выполнялась на токе 450 а при скорости сварки 75 м/ч.
Расчеты показывают, что производительность процесса по сравнению с ручной сваркой на форсированных режимах возросла почти в два раза, повысилось качество сварки, улучшились условия труда.
Сварка обсадных колонн. В последнее время для крепления нефтяных и газовых скважин начали широко применять сварные обсадные колонны взамен резьбовых. Преимущество сварных колонн — герметичность и возможность уменьшения диаметра пробуриваемых скважин благодаря отсутствию соединительных муфт, более высокая прочность колонн, так как резьба ослабляет сечение трубы.
Сварка обсадных колонн производится сейчас контактным способом, либо автоматом проволокой сплошного сечения в углекислом газе. Для этой цели в Институте электросварки им. Е. О. Па-тона разработана также специальная порошковая проволока. Сварка этой проволокой ведется двумя дугами со скоростью до 30 м/ч. В условиях открытых буровых получены сварные соединения высокого качества, значительно повысилась производительность труда.
Широкое внедрение описанных выше способов и разработка новых специализированных процессов автоматической сварки порошковой проволокой, таких как многодуговая сварка с высокой линейной скоростью, многопроходная сварка с принудительным формированием, сварка неповоротных стыков магистральных газопроводов с принудительным и свободным формированием шва и другие, позволит в ближайшие годы значительно увеличить объемы применения порошковой проволоки в производстве специальных изделий.
