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.
Литейная усадка вызывает напряжения в сварном шве в связи с тем, что при охлаждении объем наплавленного металла уменьшается, вследствие чего в близлежащих слоях металла возникают растягивающие усилия, являющиеся причиной образования напряжений и деформаций в металле. При этом чем меньше количество расплавленного металла, тем меньше значения возникающих напряжений, деформаций.
Структурные превращения вызывают растягивающие и сжимающие напряжения, так как они в некоторых случаях сопровождаются изменениями объема свариваемого металла. Например, у углеродистых сталей при нагреве происходит образование аустенита из феррита. Этот процесс сопровождается некоторым уменьшением объема. При больших скоростях охлаждения шва металла у высокоуглеродистых сталей аустенит образует структуру менее плотную, чем металл. Это сопровождается увеличением объема наплавленного металла. При сварке низкоуглеродистой стали напряжения, возникающие от структурных превращений, небольшие и практического значения не имеют.
Стали, содержащие более 0,35 % углерода, и большинство склонных к закалке легированных сталей дают значительные объемные изменения от структурных превращений. Вследствие этого развиваемые напряжения оказываются достаточными для возникновения трещин. Для уменьшения внутренних напряжений и деформаций, возникающих при сварке, рекомендуется ряд технологических мер и приемов наложения сварных швов.
Важное значение имеют:
• правильный выбор конструкции изделия;
• расположение сварных швов;
• последовательность их выполнения;
• режимы сварки.
Уменьшения внутренних напряжений достигают следующими мерами:
• длинные швы выполняют обратноступенчатым способом на проход;
• многослойная сварка выполняется каскадным способом или горкой, при этом хорошие результаты дает послойная проковка шва (кроме первого и последнего слоев);
• швы накладывают с таким расчетом, чтобы последующий шов вызывал деформации, обратные возникшим от предыдущего шва;
• последовательность выполнения швов должна допускать свободную деформацию элементов конструкций. Например, при сварке настила из нескольких листов следует в первую очередь выполнить швы, соединяющие листы полос, и лишь затем швы, соединяющие эти полосы между собой;
• для вязких металлов могут быть рекомендованы способы сварки, значительно снижающие остаточные деформации – закрепление элементов свариваемой конструкции в сборно-сварочных приспособлениях (сборка, сварка и остывание изделия);
• широко применяется на практике способ, заключающийся в интенсивном отводе теплоты. Например, частичным погружением изделия в воду, охлаждением струей воды, применением отводящих теплоту медных подкладок. У сталей, склонных к образованию закалочных структур, резкое охлаждение шва и околошовной зоны вызывает значительные внутренние напряжения и даже появление трещин в наплавленном металле.
Для уменьшения разности температур в изделии и обеспечения медленного охлаждения применяют предварительный подогрев изделия. При сварке в условиях низких температур такой подогрев обязателен даже для низкоуглеродистых сталей.
Для снятия внутренних напряжений иногда применяют термическую обработку сварных изделий, главным образом отжиг или нормализацию. Отжиг применяют полный или низкотемпературный.
Полный отжиг производится путем нагрева изделия до температуры 800–950 °C, выдержки при этой температуре и последующего медленного охлаждения. В результате такой обработки пластичность и вязкость наплавленного металла и металла зоны термического влияния возрастают, а твердость металла снижается. При этом в сварном изделии полностью снимаются внутренние напряжения.
Низкотемпературный отжиг (или высокий отпуск) производится нагревом сварного изделия до температуры 600–650 °C, выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением. Так как температура нагрева ниже критической, структурные изменения в металле не происходят. При меньших температурах нагрева сварочные напряжения снимаются частично.
Нормализация производится нагревом изделия до температуры на 30–40 °C выше критической, выдержкой при этой температуре и охлаждением на воздухе (т. е. с несколько большей скоростью, чем при отжиге). Подобная обработка является наилучшей для сварных изделий, так как не только снимает внутренние напряжения, но и позволяет получить мелкозернистую структуру металла. Особенно следует рекомендовать нормализацию для сварных изделий из низкоуглеродистых сталей, содержащих углерода менее 0,25 %.
Глава 11
Оборудование для проведения газовой сварки
Оборудование и аппаратура для проведения газовой сварки
Газовой сваркой называется сварка плавлением, при которой нагрев кромок соединяемых частей и присадочного материала производится теплотой сгорания горючих газов в кислороде. Классифицируется газовая сварка по виду применяемого горючего газа (ацетилено-кислородная, керосино-кислородная, бензино-кислородная, пропанобутано-кислородная и др.). Широкое применение получили газовые сварки ацетиленокислородная и пропанобутано-кислородная.
Для производства работ сварочные посты должны иметь следующее оборудование и инвентарь (рис. 71):
• ацетиленовый генератор или баллон с горючим газом;
• кислородный баллон;
• редукторы (кислородный и для горючего газа);
• сварочная горелка с набором сменных наконечников;
• шланги для подачи горючего газа и кислорода в горелку;
• сварочный стол;
• приспособления для сборки изделий под сварку;
• комплект инструментов.
Рис. 71. Оборудование поста для газовой сварки: 1 – горелка; 2 – шланг для подвода ацетилена; 3 – шланг для подвода кислорода; 4 – ацетиленовый баллон; 5 – ацетиленовый редуктор; 6 – кислородный редуктор; 7 – кислородный вентиль; 8 – кислородный баллон
Ацетиленовым генератором называется аппарат, предназначенный для получения ацетилена при взаимодействии карбида кальция с водой.
Ацетиленовые генераторы различают по следующим признакам:
1. По давлению получаемого ацетилена – генераторы низкого давления – до 0,02 МПа и среднего давления – 0,01–0,15 МПа.
2. По производительности – генераторы дают 0,3–640 м3/ч ацетилена (чаще применяют генераторы производительностью 1,25 м3/ч).
3. По способу установки – передвижные и стационарные.
4. По принципу взаимодействия карбида кальция с водой – работающие по принципам «карбид в воду» (КВ), «вода в карбид» (ВК), «вытеснение воды» (ВВ), комбинированные (рис. 72).
Рис. 72. Схемы ацетиленовых генераторов:
а – «карбид в воду»; б – «вода в карбид»; в – «вытеснение»; г, д – комбинированные системы; 1– бункер или барабан с карбидом кальция; 2 – реторта; 3 – система подачи воды; 4 – газосборник; 5 – спуск газа; 6 – отбор газа
Принцип КВ предусматривает периодическую подачу в воду карбида кальция. При этом достигается наибольший выход ацетилена – до 95 %.
Принцип ВК осуществляется периодической подачей порций воды в загрузочное устройство, куда заранее насыпается карбид кальция.
Комбинированный принцип предусматривает периодическое соприкосновение и взаимодействие карбида кальция с водой. Применяют два варианта: «вытеснение воды» (для разобщения воды и карбида кальция) и «погружение карбида» (для получения контакта воды с карбидом кальция). Этот принцип осуществляется автоматически и широко используется в передвижных генераторах, но по сравнению с другими дает наименьший выход ацетилена.
Принцип ВВ предусматривает разложение карбида кальция при соприкосновении его с водой в зависимости от уровня воды, находящейся в реакционном пространстве и вытесняемой образующимся газом. Все ацетиленовые генераторы, независимо от их системы, имеют следующие основные части: газообразователь, газосборник, предохранительный затвор, автоматическую регулировку вырабатываемого ацетилена в зависимости от его потребления.
