Особенности сварки алюминия, меди, титана и их сплавов.

Холодная и горячая сварка чугуна.

Особенности сварки средне- и высоколегированных сталей.

Классификация сталей по свариваемости.

2. Сварка уг­леродистых и низколегированных сталей.

1.По свариваемости стали подразделяют на четыре группы: первая группа – хорошо сваривающиеся; вторая группа – удовлетворительно сваривающиеся; третья группа – ограниченно сваривающиеся; четвертая группа – плохо сваривающиеся.

Основные признаки, характеризующие свариваемость сталей, – склонность к образованию трещин и механические свойства сварного соединения.

К первой группе относятся стали, сварка которых может быть выполнена по обычной технологии, т. е. без подогрева до сварки и в процессе сварки и без последующей термообработки. Однако применение термообработки для снятия внутренних напряжений не исключается.

Ко второй группе относят в основном стали, при сварке которых в нормальных производственных условиях трещин не образуется. В эту же группу входят стали, которые для предупреждения образования трещин нуждаются в предварительном нагреве, а также в предварительной и последующей термообработке.

К третьей группе относят стали, склонные в обычных условиях сварки к образованию трещин. При сварке их предварительно подвергают термообработке и подогревают. Кроме того, большинство сталей, входящих в эту группу, подвергают обработке после сварки.

К четвертой группе относят стали, наиболее трудно поддающиеся сварке и склонные к образованию трещин. Эти стали свариваются ограниченно, поэтому сварку их выполняют с обязательной предварительной термообработкой, с подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой.

2. Углеродистые и низколегированные стали относятся к категории конструкционных сталей. Эти стали применя­ют в состоянии закалки и отпуска как материал повы­шенной прочности для изготовления деталей машин и конструкций. В нормализованном состоянии (закалка с охлаждением на воздухе) они имеют перлитную струк­туру и по этому признаку являются сталями перлитного класса.

Стали, одновременно легированные Сr, Мо и V, отно­сятся к категории теплоустойчивых сталей (15ХМ, 15ХФ, 20Н2М и т. д.). По структуре в нормализован­ном состоянии теплоустойчивые стали могут быть пер­литного и мартенситного классов.

Электродуговая сварка углеродистых и легированных сталей ведется электродными материалами, обеспечива­ющими необходимые механические свойства или тепло­устойчивость наплавленного металла. Основная трудность при сварке углеродистых и легированных сталей заклю­чается в закалке околошовиой зоны и возможности обра­зования холодных трещин.

Для предупреждения образования холодных трещин рекомендуется:

1) производить подогрев изделий до темпера­тур 100…300°С;

2) заменять однослойную сварку многослойной; при этом сварку ведут валиками небольшого сечения по неостывшим (ниже 100…300°С) нижним слоям металла;

3) применять для сварки электроды с покрытием ос­новного типа, перед сваркой необходимо производить прокалку электродов при 400…450° С в течение нескольких часов, сварку ведут на постоянном токе обратной полярности;

4) производить отпуск изделий непосредственно после сварки до температуры 300°С и выше.

Контактная точечная сварка конструкционных сталей ведется на мягких режимах, т. е. с большим временем нагрева током и быстрым удалением заготовок из маши­ны во избежание отвода тепла электродами. Контактная стыковая сварка этих сталей производится методом пре­рывистого оплавления, что обеспечивает подогрев дета­лей перед сваркой.

3. Высокохромистые стали, содержащие 12…28% Сr, обладают нержавеющими и жаропрочными свойствами. В зависимости от содержания хрома и углерода высоко­хромистые стыли но структуре в нормализованном состо­янии делятся на ферритные (15X25, 15X28), феррито-мартенситные (20X13, Х14, 12X17) и мартенситные (20X13, 30X13, 40X13) стали.

Трудности при сварке ферритных сталей связаны с тем, что в процессе охлаждения в области высоких тем­ператур (около 1000°С) возможно выпадение карбидов хрома на границах зерен. Выпадение карбидов хрома является диффузионным процессом и имеет место в слу­чае пребывания металла в зоне опасных температур свы­ше определенного периода времени. Выпадение карбидов хрома приводит к обеднению пограничных участков зерен и снижает коррозионную стойкость стали. С целью пре­дупреждения указанных выше явления при сварке этих сталей необходимо:

1) производить сварку при малых погонных энерги­ях, т. е. применять пониженные значения тока и накла­дывать валики малого сечения с целью обеспечить боль­шие скорости охлаждения при сварке;

2) вводить в сталь и наплавленный металл сильные карбидообразователи (Ti, Сr, Zr, V), способные связать углерод в собственные карбиды;

3) производить отжиг после сварки при 900°С для вы­равнивания содержания хрома в зернах и на границах.

При сварке феррито-мартенситных и мартенситных сталей основная трудность заключается в закалке шва и околошовной зоны и образовании холодных трещин. Для предупреждения трещин эти стали сваривают с по­догревом до 200…300°С.

Введение в хромистую сталь (18% Сг, 8% Ni) перево­дит ее из ферритного класса в аустенитный. По сравне­нию с ферритными сталями аустенитные обладают более высоком коррозионной стойкостью и жаропрочностью. При сварке нержавеющих сталей типа 18-8 (18% Сr и 8% Ni) возможно выпадение карбидов хрома по грани­цам зерен при продолжительном пребывании металла в зоне температур 500…800°С и возникновение склонно­сти к межкристаллитной коррозии. Для получения коррозионно-стойких сварных соединений необходимо приме­нять следующие меры:

1) вести сварку при малых погонных энергиях с теплоотводящими медными подкладками и водяным охлаж­дением;

2) вводить в сталь и шов карбидообразующие эле­менты и снижать содержание углерода;

3) производить закалку после сварки с 1600°С. Повышение содержания хрома до 25% и никеля до 20% обеспечивает стойкость стали против коррозии в вы­сокотемпературной газовой среде и концентрированных кислотах. При сварке аустенитных сталей этого типа ме­талл шва склонен к образованию крупнокристалличес­кой первичной структуры и возникновению горячих тре­щин. Для уменьшения образования горячих трещин необ­ходимо:

1) применять специальную аустенитную сварочную проволоку (Св. Х25Н15Г7ВЗ, Х25Н15Г7Ф), основные электродные покрытия и флюсы;

2) вести сварку па небольших токах и пониженном напряжении, чтобы получать широкие и выпуклые (но не вогнутые) сварные швы;

3) в отдельных случаях полезно применять подогрев до 300…400°С.

Аустенитные хромоникелевые стали хорошо сварива­ются контактной сваркой. Точечную и шовную сварку производят на пониженных плотностях тока, так как эти стали обладают высоким удельным сопротивлением и при повышенном давлении, поскольку они отличаются значительной прочностью при высоких температурах.

Диффузионная сварка позволяет сваривать жаро­прочные сплавы на никелевой основе, аустенитные хро­моникелевые сплавы при температурах значительно ниже температуры плавления. В этом случае отсутствуют про­цесс первичной рекристаллизации металла и опасность возникновения горячих трещин.

Оптимальные режимы при диффузионной сварке в вакууме сплава ХН75МБТЮ: t = 1150…1175°С, р = 2,5…3,0 кгс/мм², τ = 6 мин, вакуум 1·10^{-4 мм рт. ст. Полу­ченные соединения практически имеют механические свойства основного материала.}

Отсутствие зоны термического влияния, а также простота технологии соединения, отсутствие трещин, коррозии, необходимости в последующем термической обработке, простота и дешевизна процесса делают его весьма перспективным для сварки соответствующих из­делий из жаропрочных и жаростойких сталей и сплавов.

4. Серый чугун относится к категории ограниченно сва­риваемых сплавов. Серый чугун сваривают с целью ис­правления дефектов литья и ремонта при наличии в де­талях пор, раковин, трещин, отколов и т. п. Дуговая сварка холодного металла чугунными обмазанными элек­тродами не обеспечивает хорошего качества сварных сое­динений. Металл шва и переходной зоны приобретает отбеленную структуру, а околошовная зона закаливается. Для устранения закалки и отбельной структуры необхо­дим высокотемпературный длительный отжиг.

Горячая сварка чугуна производится с предваритель­ным подогревом свариваемых деталей до температуры 400…600°С. Детали подогревают в нагревательных пе­чах и в горнах с помощью древесного угля и воздушного дутья. Перед сваркой в деталях вырубают дефектные места и разделывают кромки, которые затем заформовывают с помощью графитных пластин и кварцевого песка, замешанного на жидком стекле.

Сварку ведут чугунными электродами диаметром 8…25 мм со стабилизирующей или специальной обмазкой. Ток выбирают из расчета 50…90 А на 1 мм диаметра электрода. Охлаждение сваренных деталей производят вместе с печью. Горячая сварка чугуна дает сварное сое­динение без твердых отбеленных и закаленных участков. Однако горячая сварка является дорогим и трудоемким процессом и применяется для ремонта уникальных де­талей.

Холодная сварка чугуна производится стальными, медно-железными, медно-никелевыми электродами и элек­тродами из аустенитного чугуна. При сварке стальными электродами наплавка валиков производится малоугле­родистыми электродами со стабилизирующей или качест­венной обмазкой. Сварка ведется при малых погонных энергиях электродами малых диаметров.

Медно-железные электроды состоят из медного прутка с оплеткой из жести или пучка из медных и стальных стержней. Электроды имеют специальное или стабилизи­рующее покрытие. Медно-никелевые электроды состоят из стержней из монель-металла (70% Ni, 28% Сu, остальные Fe) или мельхиора (80% Сu и 20% Ni) со стабилизирую­щей обмазкой. Применение медно-железных и медно-никелевых электродов позволяет получить наплавку, у ко­торой отбеливание в переходной зоне наблюдается толь­ко и отдельных участках. Наибольшее применение имеют медно-железные электроды как более дешевые и обеспе­чивающие достаточную прочность металла шва.

Хорошие результаты получены при сварке чугуна с чугуном и чугуна со сталью диффузионной сваркой. Диф­фузионное соединение не требует специальной техноло­гии и осуществляется на стандартном оборудовании. Благодаря отсутствию грата, шлака, короблений и деформаций не требуется последующая механиче­ская и термическая обработка, отпадает необходи­мость в электродах, флюсах, защитных газах и припоях.

5.На свариваемость меди большое влияние оказывают содержащиеся в ней вредные примеси (О₂, Н₂, Bi, Pb). Кислород, находящийся в меди в виде закиси Cu₂О, яв­ляется причиной образования горячих трещин. Закись меди образует с медью легкоплавкую эвтектику (Cu₂О – Сu) с температурой плавления 1064°С, которая располагается по границам кристаллитов сварного шва. В результате действия сварочных деформаций и напря­жений шов может разрушаться по жидким прослойкам с образованием горячих трещин. Наличие сетки эвтек­тики по границам зерен делает шов хрупким и при ком­натных температурах. Для расплавленной меди харак­терно сильное растворение газов, которые при затверде­вании сварочной ванны могут вызнать пористость в случае относительно быстрого охлаждения и задержки процесса их выделении и атмосферу.

В настоящее время получили развитие ручная и ав­томатическая дуговая сварка меди угольным и металли­ческим электродами. При ручной сварке угольным элект­родом применяются присадочные прутки из оловянистой или кремнистой бронзы и флюсы, основной частью кото­рых является бура. Сварка ведется длинной дугой на по­стоянном токе прямой полярности. Металлические элект­роды состоят из медного стержня, покрытого специальной обмазкой. Сварка металлическими электродами ведется короткой дугой па постоянном токе обратной полярности. Сварочный ток выбирают из расчета 50…60 А на 1 мм диаметра электрода; при большой толщине свариваемых листов применяют подогрев.

Автоматическую сварку угольным электродом ведут под слоем плавленого флюса, применяемого для сварки малоуглеродистых и легированных сталей. Присадочный материал в виде полосы из латуни укладывают на свари­ваемый стык. Цинк, входящий в состав латуни, является раскислителем медного сварного шва. Автоматическую сварку металлическим электродом ведут медной прово­локой под слоем плавленого флюса.

Применение специальных керамических флюсов для автоматической сварки меди обеспечивает наряду с хо­рошим формированием сварного шва требуемые физи­ческие свойства.

Успешно применяется и настоящее время метод свар­ки меди в атмосфере защитных газов (аргон, азот или их смеси). Сварка ведется вольфрамовым электродом на постоянном токе прямой полярности. В качестве приса­дочного материала применяют прутки из меди, содержа­щей кремний, олово, марганец. Рекомендуется подогрев до 550°С.

Латуни являются сплавами меди, содержащими до 38% Zn. Основной трудностью при сварке латуни явля­ется испарение цинка. В результате испарения цинка ла­тунный шов теряет свои свойства и возможно возникно­вение пор. Пары цинка ядовиты и требуют защиты свар­щиков специальными масками (респираторами).

Дли сварки латуни применяют те же методы, что и для сварки меди. Однако при этом используют ряд приемов с целью сокращения испарения цинка. Газовую сварку латуни производят с применением газового флю­са. При этом способе в пламя горелки вместе с ацетиле­ном подают пары боросодержащих жидкостей. Образу­ющийся на поверхности сварочной ванны борный ангидрид связывает окислы цинка и образует сплошной слой шлака. Шлак препятствует выходу паров цинка из сварочной ванны. Возможна также газовая сварка ла­туни окислительным пламенем, что приводит к появле­нию тугоплавкой пленки окиси цинка на поверхности сварочной ванны, препятствующей испарению цинка. Сварка ведется таким образом, чтобы не разрушить эту пленку. Во всех случаях ядро пламени удерживается на удалении от сварочной ванны и направляется на при­садочный пруток. Сварка ведется с большой скоростью.

При сварке угольной дугой в качестве присадочного материала применяют кремнистые и марганцовистые бронзы или латунь с повышенным содержанием цинка. Дуга зажигается и поддерживается не на основном металле, а на конце присадочного прутка. Сварка ме­таллическими электродами со специальными покрытия­ми ведется очень короткой дугой без колебаний конца электрода. Почти все методы сварки латуни не обеспе­чивают необходимое качество сварных швов. Исключе­ние составляют газоэлектрическая и автоматическая сварка под керамическим флюсом.

Латунь можно успешно сваривать с помощью кон­тактной сварки, поскольку электропроводность и тепло­проводность латуни приблизительно такие же, как и у малоуглеродистой стали.

Большинство бронз является литейными материала­ми и сварка их применяется только с целью заварки дефектов или ремонта. Наиболее широко применяется дуговая сварка металлическим электродом. Электроды для сварки бронз представляют собой стержень, близ­кий по составу к основному металлу, с нанесенным на него специальным покрытием. Сварку оловянных бронз рекомендуется вести быстро, чтобы не вызвать перегрев основного металла, так как при перегреве возможно выплавление легкоплавкой составляющей.

Сварка алюминия затруднена вследствие наличия на поверхности прочной и тугоплавкой пленки окисла А1₂О₃, плавящейся при 2050°С. Пленка окиси покрывает также капли расплавленного металла и препятствует сплавлению их между собой и основным металлом. Только применение активных флюсов позволяет раство­рить этот окисел и обеспечить условия для нормального формирования сварного шва. Все флюсы и обмазки для сварки алюминия и его сплавов состоят из смеси хло­ристых и фтористых солей щелочноземельных металлов (NaC1, KC1, LiF и т.п.).

Алюминий можно сваривать различными способами дуговой и газовой сварки. При ручной дуговой сварке металлическим электродом применяют прутки того же состава, что и свариваемый металл, с обмазкой из смеси хлористых и фтористых солей. При низкой температуре плавления (657°С) алюминий имеет высокую теплопро­водность и большую теплоту плавления и для его свар­ки необходимо применению Электрической дуги относи­тельно большой мощности. Сварка ведется на постоян­ном токе обратной полярности.

Автоматическая сварка металлическим электродом производится полуоткрытой дугой по слою флюса. Для формирования корня шва применяют медные и желез­ные прокладки. Необходимо иметь в виду, что при тем­пературах 400…500°С алюминий имеет низкую проч­ность и нагретое сварное соединение может разрушиться под действием собственной массы. В таких случаях на­личие подкладок является полезным.

Наиболее широко применяется сварка алюминия и его сплавов в защитных газах. Листы толщиной 0,5…10 мм сваривают неплавящимся вольфрамовым элект­родом с присадочным материалом, листы большой толщины – плавящимся металлическим электродом. Тол­стые листы и литьё рекомендуется подогревать до 400°С. Способы сварки в защитных газах дают более высокое качество сварных швов по сравнению с други­ми способами дуговой сварки.

Сварка сплавов алюминия с магнием и цинком (АМг и АМц) не вызывает затруднений и производится теми же способами, что и сварка алюминия. Исключение составляют дюралевые сплавы, представляющие со­бой сплавы алюминия и меди. Эти сплавы термически упрочняются закалкой и последующим старением. В ре­зультате старения значительно повышается прочность и твердость сплавов. Нагрев свыше 500°С приводит к оплавлению и окислению границ зерен, вследствие чего происходит резкое снижение механических свойств. Свойства перегретого дюралевого сплава не могут быть восстановлены никакой термической обработкой. Таким образом, сварка дюралей связана с разупрочнением зоны термического влияния на 40…50%. При сварке дуралюмина в атмосфере защитного газа также проис­ходит снижение прочности, однако термообработкой можно восстановить прочность до 80…90% от прочности основного металла.

Алюминий и некоторые его сплавы удовлетворитель­но сваривают контактной сваркой. Дли точечной кон­тактной сварки алюминия, обладающего высокими элек­тропроводностью и теплопроводностью, необходима большая мощность тока при очень коротком времени его протекания. Стыковая сварка ведется методом оплав­ления при повышенной плотности сварочного тока.

Хорошо сваривается алюминий диффузионной свар­кой при оптимальном режиме: t = 500°С, р=1 кгс/мм², τ = 10 мин, вакуум 1 · 10^{-5 мм рт. ст.}

Сварка титана производится в атмосфере защитных газов с дополнительной газовой защитой корня и еще не остывшего участка шва до температуры 400°С. Ти­тановые сплавы склонны к образованию холодных тре­щин при сварке. Сильное влияние на образование тре­щин оказывают газы – водород и кислород. Допустимое содержание этих газов составляет: водорода 0,01%, кислорода 0,15%. Перед сваркой проволоку и металл подвергают дегазации.