Рис. 69.
Схемы сварки:
а – на проход; б – от середины к краям; в – обратноступенчатым способом; г – блоками; д – каскадом; е – горкой; А – направление заполнения разделки; 1–5 – последовательность сварки в каждом слое
Способы выполнения сварных швов по длине зависят от их протяженности (рис. 69). Условно принято различать короткие швы, длиной до 250 мм, средние швы, длиной 250–1000 мм и длинные швы протяженностью более 1000 мм. Короткие швы выполняют сваркой на проход, швы средней длины сваривают либо от середины к краям, либо так называемым обратноступенчатым способом. Этот способ заключается в том, что весь шов разбивают на участки и сварку участка производят в направлении, обратном общему направлению сварки шва. Конец каждого участка совпадает с началом предыдущего участка. Длина участка выбирается в пределах 100–300 мм в зависимости от толщины металла и жесткости свариваемой конструкции. Длинные швы сваривают обратноступенчатым способом.
Сварка при низких температурах отличается следующими основными особенностями: стали изменяют свои механические свойства – понижается ударная вязкость и уменьшается угол загиба, ухудшаются пластические свойства и несколько повышается хрупкость, а отсюда склонность к образованию трещин. Это особенно заметно у сталей, содержащих более 0,3 % углерода, а также у легированных сталей, склонных к закалке.
Металл сварочной ванны охлаждается значительно быстрее, что приводит к повышенному содержанию газов и шлаковых включений и, как следствие, к снижению механических свойств металла шва.
В связи с этим установлены следующие ограничения сварочных работ при низкой температуре. Сварка металла толщиной более 40 мм при температуре 0 °C допускается только с подогревом. Подогрев необходим для сталей толщиной 30–40 мм при температуре ниже –10 °C, для сталей толщиной 16–30 мм – при температуре ниже –20 °C и для сталей толщиной менее 16 мм – при температуре ниже –30 °C. Для подогрева металла применяют горелки, индукционные печи и другие нагревательные устройства.
Сварку производят электродами типов Э42А, Э46А, Э50А, обеспечивающими высокую пластичность и вязкость металла шва. Значение тока на 15–20 % выше нормального.
Эффективные методы проведения сварки
Метод опирания, или сварка с глубоким проплавлением
Электрод с утолщенным покрытием используют для получения глубокого проплавления. Стержень электрода плавится быстрее покрытия, в итоге чего на конце электрода образуется чехольчик. Опираясь этим чехольчиком на кромки свариваемого изделия, перемещают электрод вдоль шва без колебательных движений.
Для получения узких швов рекомендуется усиливать нажим на электрод в направлении сварки, а для получения широких швов нажим необходимо ослаблять. Такой метод обеспечивает повышение производительности сварки до 70 % за счет уменьшения расхода наплавляемого металла на единицу длины шва. Короткая дуга и большая концентрация теплоты значительно увеличивают глубину проплавления основного металла.
В закрытой чехольчиком зоне дуги потери металла на угар и разбрызгивание минимальные. Сварочный ток может быть повышен на 40–60 % по сравнению с нормальным. Метод особенно эффективен при сварке угловых и тавровых соединений в нижнем положении или «в лодочку». Для сварки с глубоким проплавлением применяют электроды типов ОЗС–2, ОЗС–6, СМ–17 и др. Сварка таким методом не требует высокой квалификации.
Два или несколько электродов с качественным покрытием связывают в двух-трех местах по длине тонкой проволокой, а оголенные от покрытия концы прихватывают сваркой. Через электрододержатель ток подводится одновременно ко всем электродам. Дуга возбуждается на том электроде, который ближе к свариваемому изделию. По мере проплавления дуга переходит от одного электрода к другому. При таком методе электрод нагревается значительно меньше, что позволяет работать при больших токах. Например, при трех электродах диаметром 3 мм допустимый сварочный ток достигает 300 А. Потери металла на угар и разбрызгивание не возрастают, при этом производительность сварки повышается в 1,5–2 раза. Коэффициент наплавки электродов увеличивается, так как стержни электродов все время подогреваются теплотой дуги. В применении этого метода есть одна особенность: пучком электродов невозможно обеспечить хороший провар корня разделки шва. Поэтому приходится предварительно одиночным электродом проваривать корень разделки, а затем уже производить сварку шва пучком электродов. Этот метод дает высокую производительность при наплавочных работах.
Сварка осуществляется двумя электродами, изолированными друг от друга (рис. 70). К электрододержателю подводятся две фазы источника тока, а третья фаза подводится к свариваемому изделию. Возбуждаются и одновременно горят три сварочные дуги: по одной между каждым электродом и изделием и третья между электродами. Такая схема значительно повышает устойчивость горения дуги, улучшает степень использования теплоты дуги и позволяет снизить напряжение холостого хода.
Рис. 70.
Сварка трехфазной дугой:
1, 2 – плавящиеся электроды; 3, 5, 6 – сварочные дуги; 4 – основной металл.
При сварке трехфазной дугой применяются также следующие схемы:
• сварка двумя одинарными электрододержателями;
• сварка одним одинарным электрододержателем и вторым электродом, уложенным в разделку шва, но изолированно от свариваемого изделия;
• сварка пучком электродов, из которых только два токоведущие, а остальные холостые (т. е. не включены в сварочную цепь и расплавляются от теплоты дуги).
Сварка трехфазной дугой применима при любых соединениях в нижнем и наклонном положениях. Такой метод особенно рекомендуют для сварки в нижнем положении и «в лодочку» угловых и тавровых соединений.
Ванный способ применяют при сварке стыков арматуры железобетонных конструкций. Сущность способа заключается в следующем: к стержням арматуры в месте стыка приваривают стальную форму, в которой теплотой дуги создают ванну расплавленного металла, непрерывно подогреваемую дугой. От теплоты металла ванны плавятся торцы свариваемых стержней, образуется общая ванна металла шва и затем при остывании – сварное соединение.
При сварке вертикальных швов в качестве формующей детали применяют штампованную форму из листовой стали, которую приваривают к нижнему стержню, после чего прихватывают конец верхнего стержня к нижнему стержню и переходят к заполнению формы наплавляемым металлом. Для выпуска шлака прожигают электродом отверстия в стенке формы, которые затем заваривают.
Процесс сварки ведут при больших токах. Например, для электродов диаметром 5–б мм значение сварочного тока достигает 400–450 А.
Сварку при низких температурах выполняют током выше установленного на 10–12 %. Зазор между торцами свариваемых стержней должен быть не меньше удвоенного диаметра электрода. Сварку можно выполнять одним или несколькими электродами одновременно. Рекомендуется применять электроды марки УОНИИ–13/55 (типа Э50А). Ванный способ значительно уменьшает расход электродов и электроэнергии, снижает трудоемкость.
Деформации и напряжения при проведении сварки
Сварные деформации и напряжения снижают механическую прочность сварных конструкций. Для получения сварных конструкций высокой прочности необходимо, прежде всего, выбрать наиболее рациональное размещение сварных швов, сочетая его с оптимальной технологией выполнения.
Количество сварных швов, их протяженность и сечение должны быть минимальными в соответствии с прочностным расчетом конструкции. Перекрещивающиеся швы не рекомендуются. Симметричное расположение швов значительно снижает деформацию конструкции. Стыковые швы более желательны, чем угловые.
Основными причинами возникновения сварочных деформаций и напряжений являются:
• неравномерное нагревание и охлаждение изделия;
• литейная усадка наплавленного металла;
• структурные превращения в металле шва.
Неравномерное нагревание и охлаждение вызывают тепловые напряжения и деформации. При сварке происходит местный нагрев небольшого объема металла, который при расширении воздействует на близлежащие менее нагретые слои металла. Напряжения, возникающие при этом, зависят главным образом от температуры нагрева, коэффициента линейного расширения и теплопроводности свариваемого металла. Чем выше температура нагрева, а также чем больше коэффициент линейного расширения и ниже теплопроводность металла, тем больше тепловые напряжения и деформации в свариваемом шве.
